Hóa thạch có khả năng là của Pachycephalosaurus có thể đã được tìm thấy sớm nhất vào thập niên 1850. Theo Donald Baird, năm 1859 hoặc 1860, Ferdinand Vandeveer Hayden, nhà sưu tập hóa thạch tiên khởi miền Tây Bắc Mỹ, đã tìm được một mảnh xương (hiện mang kí số ANSP 8568) ở vùng lân cận thượng lưu sông Missouri (ngày nay tên là thành hệ Lance) Đông Nam Montana.[10] Năm 1872, Joseph Leidy mô tả mảnh xương này là thuộc một loại bò sát có giáp mô hoặc một loại động vật giống con tatu và đặt tên chi này là Tylosteus.[11]

Năm 1931, dựa trên mẫu sọ không hoàn chỉnh USNM 12031 tìm thấy tại thành hệ Lance, hạt Niobrara, Wyoming, Charles W. Gilmore xếp loại động vật này vào chi Troodon với tên Troodon wyomingensis.[12] Lúc bấy giờ Troodon chỉ được biết qua các hóa thạch răng và do đó các nhà cổ sinh cho rằng đây là đồng nghĩa của Stegoceras vì hai chi này có răng tương tự nhau. Bởi thế, T. wyomingensis được xếp vào họ Troodontidae, một sai lầm mà mãi tới năm 1945 mới được Charles M. Sternberg sửa chữa lại.[13]

Hơn một thế kỷ sau thời điểm phát hiện ANSP 8568, với những mẫu u xương đào được thêm sau này, Baird xem xét lại lần nữa và xác định đây thực tế ra là một đoạn xương vảy của một loại khủng long.[10] Năm 1943, với những mẫu hoàn thiện hơn trong tay, Barnum Brown và Erich Maren Schlaikjer lập chi mới Pachycephalosaurus gồm: P. reinheimeri, dựa trên mẫu định danh DMNS 469 - một mảnh vòm và một số phần xương khác từ thành hệ Lance, hạt Corson, South Dakota - và loài điển hình P. grangeri, dựa trên mẫu AMNH 1696 - một hộp sọ gần như hoàn chỉnh từ thành hệ Hell Creek ở Ekalaka, hạt Carter, Montana.[14] Họ cũng xếp loài "Troodon" wyomingensis ở trên vào chi mới này. Từ năm 1983 đến nay, P. grangeri và P. reinheimeri được xem là đồng nghĩa của P. wyomingensis.[15]

Theo Bộ mã Quốc tế về Danh mục Động vật học, vì cái tên Tylosteus có trước Pachycephalosaurus, bình thường thì Tylosteus sẽ được ưu tiên hơn. Năm 1985, Baird kiến nghị thành công dùng Pachycephalosaurus thay cho Tylosteus vì Tylosteus được đặt dựa trên mẫu vật kém giá trị nhận dạng, thiếu thông tin địa chất và địa tầng và vì Tylosteus đã không được sử dụng đến trong hơn 50 năm.[16][17] Vấn đề này vẫn chưa kết thúc tại đó vì vào năm 2006, Robert Sullivan nhận định ANSP 8568 giống với xương của Dracorex hơn là Pachycephalosaurus.[5] Điều này có lẽ cũng không quan trọng lắm nếu Dracorex thực tế ra là một Pachycephalosaurus non như trong các đề xuất gần đây.[18]

Năm 2015, một số hóa thạch khủng long đầu vòm và một mảnh sọ có khả năng là của Pachycephalosaurus được tìm thấy tại thành hệ Scollard thuộc Alberta, Canada, ám chỉ các khủng long thời Maastricht có một vùng phân bố rộng khắp chứ không tập trung tại một số chỗ.[19]