Le nombre d'espèces d’Allosaurus qui ont existé n'est pas exactement connu. À partir de 1988, on a estimé qu'il en existait sept potentiellement valables (A. amplexus, A. atrox, A. europaeus, l'espèce type A. fragilis, l'espèce non encore décrite formellement A. jimmadseni, A. maximus et A. tendagurensis), même si seulement une partie de ces espèces a été généralement considérée comme valable à un moment donné. En outre, on trouve au moins dix espèces douteuses ou non décrites qui ont été attribuées au genre Allosaurus au fil des ans, avec des espèces appartenant à des genres inclus aujourd'hui dans Allosaurus. Dans la dernière classification des premiers théropodes tétanoures, l'on ne retrouve plus que A. fragilis (A. amplexus et A. atrox étant considérés comme des synonymes), A. jimmadseni (sans que le nom soit encore officiel) et A. tendagurensis comme espèces potentiellement valides, le cas d’A. europaeus n'ayant pas encore été étudié et A. maximus ayant été classé dans le genre Saurophaganax.
A. amplexus, A. atrox, A. fragilis, A. jimmadseni et A. maximus sont toutes des espèces dont les restes ont été découverts dans les étages Kimméridgien à Tithonien du Jurassique supérieur de la Formation de Morrison aux États-Unis, formation répartie sur les États du Colorado, Dakota du Sud, Montana, Nouveau-Mexique, Oklahoma, Utah et Wyoming. A. fragilis est considéré comme l'espèce la plus commune connue à partir des restes d'au moins soixante individus. Un débat existe depuis les années 1980 quant à la possibilité qu'il ait existé deux espèces communes d’Allosaurus dans la Formation de Morrison, la seconde étant connue sous le nom d’A. atrox quoique des travaux récenmment publiés penchent en faveur d'une seule « espèce », les différences observées dans le matériel de la Formation de Morrison étant attribuées à des variations individuelles. A. europaeus a été trouvé dans les couches du Kimméridgien (Amoreira-Porto Novo Members) de la Formation de Lourinhã mais il pourrait s'agir de la même espèce que A. fragilis. On a trouvé A. tendagurensis dans les roches d'âge Kimméridgien de Tendaguru, à Mtwara, en Tanzanie. Bien que les derniers examens l'aient provisoirement accepté comme une espèce valide du genre Allosaurus, il pourrait peut-être s'agir d'un tétanoure plus primitif ou, simplement, d'un théropode « douteux ». Même si ses origines sont obscures, il s'agissait d'un grand théropode, mesurant environ 10 mètres de long et pesant 2,5 tonnes.
Allosaurus est considéré comme un synonyme probable des genres Antrodemus, Creosaurus, Epanterias et Labrosaurus. La plupart des espèces étant considérées comme synonymes de A. fragilis ou ayant été classées par erreur dans ce genre sont mal connues et leur connaissance ne repose que sur quelques fragments d'os. Une exception toutefois pour le Labrosaurus ferox, nommé ainsi en 1884 par Marsh en étudiant une portion de mandibule de forme bizarre, avec un espace important entre les dents au niveau de l'extrémité de la mâchoire, et une section arrière considérablement élargie et tombante. Des études ultérieures ont suggéré que l'os était probablement pathologique, résultant d'une blessure subie par l'animal vivant et la partie de forme inhabituelle de l'arrière de l'os serait due à la reconstruction en plâtre. On considère maintenant qu'il s'agit d'un exemplaire de A. fragilis. D'autres restes que l'on pensait se rapporter à Allosaurus sont venus de partout dans le monde, comme d'Australie, de Sibérie et de Suisse mais l'on estime aujourd'hui ces fossiles comme appartenant à d'autres genres de dinosaures.
La question des synonymes est rendue encore plus compliquée par le fait que le spécimen type d’Allosaurus fragilis (catalogué sous la référence JPM 1930) se retrouve très fragmentaire, composé de quelques vertèbres incomplètes, de fragments d'os des membres, de fragments de côtes et d'une dent. Pour cette raison, plusieurs scientifiques estiment que le spécimen type, et donc le genre Allosaurus lui-même ou au moins les espèces A. fragilis, est techniquement un nomen dubium (nom douteux), basé sur un échantillon trop incomplet pour le comparer avec d'autres spécimens à classer. Pour tenter de remédier à cette situation, Gregory S. Paul et Kenneth Carpenter (2010) ont présenté une pétition à la Commission internationale de nomenclature zoologique pour voir le nom de A. fragilis transféré officiellement à un modèle plus complet (un néotype). Cette demande est actuellement en attente d'examen.