Les Dicotylédones sont connues sous les noms scientifiques : Dicotyledoneae, Dicotyledones, Magnoliopsida, etc, dépendant de la classification adoptée.
Dans la classification classique de Cronquist (1981) les dicotylédones sont divisées en sept sous-classes :
sous-classe Asteridae
sous-classe Caryophyllidae
sous-classe Dilleniidae
sous-classe Hamamelidae, appelée aussi Hamamelididae
sous-classe Magnoliidae
sous-classe Rosidae
Les groupes des Rosidae et des Asteridae sont des groupes d'apparition récente ayant évolué vers des structures florales parfois complexes comme le capitule des Astéracées.
Selon la classification phylogénétique APG II (2003) et classification phylogénétique APG III (2009), les Dicotylédones sont paraphylétiques. Le clade des Angiospermes, comprenant les Monocotylédones et divers groupes tôt individualisés de Dicotylédones , comporte aussi un clade monophylétique de Dicotylédones vraies, ou Eudicotylédones.
Chez celles-ci, les grains de pollen ont généralement trois apertures (zones de faiblesse permettant le passage du tube pollinique). Les Angiospermes primitives faisant classiquement partie des Dicotylédones ont des grains de pollen à une seule aperture, tout comme les Monocotylédones.