Tarbosaurus được phân loại là một loại khủng long chân thú trong phân họ Tyrannosaurinae thuộc họ Tyrannosauridae. Các thành viên khác bao gồm Tyrannosaurus và Daspletosaurus có trước đó, cả hai đều từ Bắc Mỹ,[5] và cũng có thể là chi Alioramus ở Mông Cổ.[3][6] Các loài trong phân họ này có quan hệ họ hàng gần với Tyrannosaurus hơn là với Albertosaurus và chúng được biết đến vì tầm vóc tráng kiện với các hộp sọ cân xứng lớn hơn và xương đùi dài hơn so với phân họ Albertosaurinae.[2]

Tarbosaurus bataar ban đầu được mô tả như là một loài khủng long bạo chúa (Tyrannosaurus),[7] một sự sắp xếp đã được hỗ trợ bởi một số nghiên cứu gần đây.[5][8] Nhiều người khác thích xếp loài này vào một chi riêng biệt, trong khi vẫn công nhận việc phân loại chúng như là một chi chị em của khủng long bạo chúa.[2] Một phân tích theo nhánh năm 2003 dựa trên các đặc trưng hộp sọ đã nhận định Alioramus là họ hàng gần gũi nhất đã biết của Tarbosaurus, do hai chi này chia sẻ các đặc điểm hộp sọ liên quan đến sự phân bố ứng suất không được tìm thấy ở các loài Tyrannosaurinae khác. Nếu được chứng minh, mối quan hệ này sẽ chống lại quan điểm trước đây cho rằng Tarbosaurus là từ đồng nghĩa của Tyrannosaurus và gợi ý rằng các dòng dõi Tyrannosaurinae tách biệt đã phát triển ở châu Á lẫn Bắc Mỹ.[3][6] Hai mẫu vật được biết đến của Alioramus, thể hiện các đặc điểm con non, nhưng không có khả năng rằng chúng là những cá thể Tarbosaurus đang ở giai đoạn này vì số lượng răng của chúng nhiều hơn (76-78 răng) và một hàng bướu xương độc đáo duy nhất dọc theo đỉnh phần mõm của chúng.[9]