Allosaurus était un allosauridé, un grand théropode du clade des Allosauridea. Le nom de famille Allosauridae a été créé pour ce genre en 1878 par Othniel Charles Marsh, mais le terme a été très peu utilisé jusque dans les années 1970 lui préférant celui de Megalosauridae, une autre famille de grands théropodes qui allait devenir un taxon « poubelle ». Ceci, avec l'utilisation de Antrodemus pour Allosaurus pendant la même période, est un point à rappeler pour la recherche d'informations sur le genre Allosaurus dans les publications qui ont précédé la monographie de James Madsen en 1976. Les principales publications utilisant le nom Megalosauridae au lieu d'Allosauridae comprennent celles de Gilmore (1920), von Huene (1926), Romer (1956 et 1966), Steel (1970) et Walker (1964).
Suite à la publication de la monographie influente de Madsen, Allosauridae est devenu le nom de famille préféré, mais il n'a pas été défini avec précision. Les ouvrages de vulgarisation utilisent le nom d'Allosauridae pour quantité de grands théropodes, généralement ceux étant les plus grands et les plus connus des mégalosauridés. Les théropodes que l'on croyait ainsi être apparentés au genre Allosaurus incluaient Indosaurus, Piatnitzkysaurus, Piveteausaurus, Yangchuanosaurus, Acrocanthosaurus, Chilantaisaurus, Compsosuchus, Stokesosaurus et Szechuanosaurus. En raison des connaissances modernes sur la diversité des théropodes et l'avènement de l'étude cladistique des relations de l'évolution, aucun de ces théropodes n'est maintenant reconnu comme étant un allosauridé, bien que plusieurs, comme Acrocanthosaurus et Yangchuanosaurus, soient des membres de familles étroitement liées.
Les Allosauridae sont l'une des quatre familles d'Allosauridea, les trois autres étant les Neovenatoridae, les Carcharodontosauridae et les Sinraptoridae. On a parfois proposé de considérer les Allosauridae comme les ancêtres des Tyrannosauridae (ce qui en ferait un taxon paraphylétique), un exemple récent de ce choix se retrouvant dans Predatory Dinosaurs of the World de Gregory S. Paul mais cette idée a été rejetée, les Tyrannosauridés étant classés dans une super-famille distincte de théropodes, les Coelurosauria. Les Allosauridae sont la plus petite famille de Carnosaures, contenant seulement le genre Saurophaganax et un possible allosauridé français en dehors du genre Allosaurus selon les articles les plus récents,. Un autre genre, Epanterias, est un membre potentiellement valable de la famille, lui et Saurophaganax se révèlant être des exemples de grands Allosaurus. Des études récentes ont gardé le genre Saurophaganax et inclus le genre Epanterias avec les Allosaurus.
L'Allosaurus est le théropode le plus courant des vastes étendues de roches fossilifères de l'Ouest américain connues sous le nom de Formation de Morrison, représentant à lui seul 70 à 75 % des spécimens théropodes et il siégeait au plus haut niveau de la chaîne alimentaire dans cette région. La formation de Morrison semblerait être composée à l'époque de vastes plaines boueuses en saison humide avec un milieu semi-aride en saison sèche, les différences de saisons étant marquées. La végétation allait des forêts de conifères, de fougères arborescentes, et de fougères au bord des cours d'eau, aux savanes de fougères avec de rares arbres éloignés d'eux.
La Formation de Morrison est un terrain riche en fossiles, fournissant des restes d'algues vertes, de champignons, de mousses, de prêles, de fougères, de cycas, de ginkgos et de plusieurs familles de conifères. On y découvrit également d'autres fossiles comme des bivalves, des escargots, des poissons à nageoires rayonnées, des grenouilles, des salamandres, des tortues, des sphénodons, des lézards, des crocodylomorphes terrestres et aquatiques, plusieurs espèces de ptérosaures, de nombreuses espèces de dinosaures et de mammifères primitifs comme les docodontes, multituberculés, symmétrodontes et triconodontes. On y trouva aussi des dinosaures théropodes comme Ceratosaurus, Ornitholestes et Torvosaurus, les sauropodes Apatosaurus, Brachiosaurus, Camarasaurus, et Diplodocus et les ornithischiens Camptosaurus, Dryosaurus et Stegosaurus. Les formations portugaises du Jurassique supérieur où furent trouvés des Allosaurus semblent avoir été similaires à celle de Morrison, mais avec une forte influence marine. La plupart des dinosaures de la Formation de Morrison sont les mêmes que ceux observés dans les roches portugaises (principalement Allosaurus, Ceratosaurus, Torvosaurus et Apatosaurus), ou y sont apparentés (Brachiosaurus et Lusotitan, Camptosaurus et Draconyx).
Allosaurus a coexisté avec les grands théropodes Ceratosaurus et Torvosaurus tant aux États-Unis qu'au Portugal. En se basant sur l'anatomie et la localisation des fossiles, les trois genres semblent avoir eu des niches écologiques différentes. Cératosaures et Torvosaures auraient préféré chasser à proximité des cours d'eau où leur taille plus petite et leur corps plus mince leur aurait donné l'avantage dans les forêts et les sous-bois, alors que les allosaures qui étaient plus massifs, avec des jambes plus longues, donc plus rapides mais moins agiles, sembleraient avoir préféré les plaines de savane. Ceratosaurus, mieux connu que Torvosaurus, différait sensiblement d’Allosaurus en anatomie fonctionnelle en ayant une tête plus haute et plus étroite avec des dents longues et larges. Allosaurus était une proie potentielle pour d'autres carnivores, comme l'illustre ce pubis d'Allosaure marqué par les dents d'un autre théropode, probablement un Ceratosaurus ou un Torvosaurus. L'emplacement de l'os dans le corps (le long de la base inférieure du torse et partiellement protégé par les cuisses), et le fait qu'il ait été parmi les os les plus massifs du squelette, indique que cet Allosaurus avait été dévoré.