Pliosauroidea là một đơn vị phân loại dựa theo nhánh được Welles định nghĩa là "tất cả các loài có họ hàng gần với Pliosaurus brachydeirus hơn là với Plesiosaurus dolichodeirus". Pliosauridae và Rhomaleosauridae cũng là đơn vị phân loại dựa theo nhánh. Pliosauridae được định nghĩa là "tất cả các loài có quan hệ họ hàng gần với Pliosaurus brachydeirus hơn là với Leptocleidus superstes, Polycotylus latipinnis và Meyerasaurus victor". Rhomaleosauridae được định nghĩa là "tất cả các loài có quan hệ họ hàng gần với Meyerasaurus victor hơn là với Leptocleidus superstes, Pliosaurus brachydeirus và Polycotylus latipinnis".[8] Cây phát sinh chủng loài dưới đây dưạ trên phân tích năm 2011 của các nhà khảo cổ Hilary F. Ketchum và Roger BJ Benson.[4]