ไทแรนโนซอรัสเป็นสกุลต้นแบบของวงศ์ใหญ่ไทรันโนซอรอยเดีย (Tyrannosauroidea), วงศ์ไทรันโนซอริดี, และวงศ์ย่อยไทรันโนซอริมี (Tyrannosaurinae) หรือในอีกแง่หนึ่งก็คือเป็นมาตรฐานสำหรับนักบรรพชีวินวิทยาตัดสินใจว่าจะเพิ่มสปีชีส์อื่นลงไปในกลุ่มเดียวกันหรือไม่ สมาชิกอื่นๆของวงส์ย่อยไทรันโนซอริมีก็มี ดัสเพลททอซอรัส (Daspletosaurus) จากอเมริกาเหนือและ ทาร์บอซอรัส (Tarbosaurus) จากทวีปเอเชีย[30][31] ซึ่งในบางครั้งทั้งสองก็ถูกจัดเป็นชื่อพ้องของไทแรนโนซอรัส[25] มีการคิดกันว่าไดโนเสาร์พวกไทแรนโนซอรัสนั้นเป็นลูกหลานของไดโนเสาร์กินเนื้อขนาดใหญ่อย่างเมกะโลซอรัส (megalosaurs) และคาร์โนซอร์ (carnosaurs) ถึงแม้ว่าเมื่อเร็วๆนี้มีการจำแนกใหม่ว่าไทแรนโนซอรัสเป็นซีลูโรซอร์ (coelurosaurs) ที่มีขนาดเล็กกว่า[24]

ในปีค.ศ. 1955 นักบรรพชีวินวิทยาชาวสหภาพโซเวียตที่ชื่อ เอฟเจนนี มอลวีฟ (Evgeny Maleev) ได้ตั้งชื่อไดโนเสาร์ชนิดใหม่จากประเทศมองโกเลียว่า Tyrannosaurus bataar[32] แต่ในปีค.ศ. 1965 ไดโนเสาร์ชนิดนี้ได้รับการตั้งชื่อใหม่ว่า Tarbosaurus bataar[33] สาเหตุของการตั้งชื่อใหม่นี้ เนื่องมาจากการวิเคราะห์วงศ์วานวิวัฒนาการพบว่า Tarbosaurus bataar มีบรรพบุรุษร่วมกันแบบมีลำดับชั้นกับ Tyrannosaurus rex[31] และบ่อยครั้งมันได้รับการพิจารณาเป็นไทแรนโนซอรัสแห่งทวีปเอเชีย[24][34][35] แต่เมื่อเร็วๆนี้ การศึกษากะโหลกศีรษะของ Tarbosaurus bataar พบว่ากะโหลกแคบกว่าของไทแรนโนซอรัส เรกซ์และเมื่อกัด การกระจายตัวของความเครียดในกะโหลกก็แตกต่างกันกับไทรันโนซอร์ของเอเชียชนิดอื่นๆ ใกล้เคียงกับ Alioramus มากกว่า[36] เมื่อวิเคระห์ความสัมพันธ์ในกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่มีบรรพบุรุษร่วมกันแบบมีลำดับชั้น พบว่า Alioramus น่าจะมีบรรพบุรุษร่วมกันแบบมีลำดับชั้นของ Tarbosaurus มากกว่าจะเป็นไทแรนโนซอรัส ซึ่งถ้าเป็นความจริงก็ควรจะแยก Tarbosaurus และไทแรนโนซอรัสออกจากกัน[30]

ซากดึกดำบรรพ์ของไดโนเสาร์วงศ์ไทรันโนซอริดีชนิดอื่นที่พบในหมวดหินเดียวกันกับไทแรนโนซอรัส เรกซ์ซึ่งแต่เดิมถูกแบ่งแยกทางอนุกรมวิธานออกจากกัน ประกอบไปด้วย Aublysodon และ Albertosaurus megagracilis[25] ซึ่งชนิดหลังเดิมในปี ค.ศ. 1995 ถูกตั้งชื่อว่า Dinotyrannus megagracilis[37] อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วในปัจจุบันซากดึกดำบรรพ์เหล่านี้ถูกพิจารณาเป็น Tyrannosaurus rex ช่วงอายุวัยรุ่น[38]