Ce loup s'est adapté de différentes manières, dans sa grande aire de répartition. Des sous-espèces ont vu le jour. Cette subdivision est cependant contestée par certains spécialistes.
Généticiens, morphologistes et les spécialistes du comportement hésitent ainsi sur la classification du Loup rouge, du Loup de l'Est (loup du Canada) ou même du chien dont le statut d'espèces séparées est régulièrement débattu. L'origine du chien domestique, en particulier, n'est pas évidente à établir: certains estiment que l'ancêtre direct du chien est bien le loup gris mais d'autres ont évoqué plutôt le Chacal doré (Canis aureus), tandis que des études considèrent que c'est plutôt un hybride de différentes espèces du genre Canis ou bien une espèce à part entière (Canis familiaris) qui aurait évoluée parallèlement au loup gris. Malgré tout le chien est généralement considéré officiellement comme une sous-espèce de Canis lupus (Canis lupus familiaris) comme d'autres canidés qui se distinguent pourtant des « loups » proprement dits par leur aspect ou leurs mœurs : le dingo (Canis lupus dingo) ou le Chien chanteur (Canis lupus hallstromi).
Comparaison des quelques sous-espèces de Canis lupus notables:
En Europe, tous les loups sont décrits comme des loups gris. Il existe cependant des différences considérables : en Italie et en Espagne, par exemple, les loups sont plus petits et plus roux, et surtout plus craintifs que les animaux vivant plus au nord.
Selon les références on trouve de 15 à 40 sous-espèces, cependant la tendance aujourd'hui est à réduire considérablement cette liste de sous-espèces en considérant qu'il s'agit dans la majorité des cas d'adaptations locales de l'espèce Canis lupus (notamment par les analyses et statistiques du taxonomiste Ron Nowak).
On peut distinguer 2 groupes de sous-espèces : celles d'Amérique et celles d'Europe.
Et deux sous-espèces discutées par certains spécialistes et qui seraient peut-être des loups du Nouveau monde ayant évolué à part (cf. ci-dessous) :
Et les autres sous-espèces
(note : Certaines sous-espèces (*) ne sont pas reconnues par tous les taxonomistes)
Cette classification du chien et du dingo tend à s'imposer actuellement, en concurrence avec les anciennes dénomination qui étaient respectivement Canis familiaris et Canis familiaris dingo ou Canis dingo. Cela en fait des sous-espèces du loup.
La classification des populations suivantes ont été et sont encore régulièrement discutées au sein de la communauté scientifique.
Considéré comme une espèce à part entière depuis le début des années 1970, le loup rouge (Canis rufus), est considéré par une minorité d'auteurs comme un hybride entre un loup gris et le coyote (Canis latrans) suite à plusieurs études génétiques controversées menées depuis 1992, son nom scientifique est alors Canis lupus x Canis latrans. Il n'est dans ce cas donc plus rattaché à une espèce particulière. Il en existait trois populations distinctes dont deux ont disparu, la dernière est très menacée et le classement en tant qu'hybride menacerait sa réintroduction ou l'existence même des populations survivantes.
A contrario, des populations de loups autrefois considérées comme sous-espèce de Canis lupus comme le Loup des Indes ou considérées comme des hybrides, par exemple le Loup de l'Est, sont de plus en plus considérés comme des espèces à part entière.
Des incertitudes demeurent au niveau du chien qui semble issu de population de loup gris du Caucase. Comme pour l'ensemble des animaux domestiques, la communauté scientifique est réticente à considérer ce groupe comme une sous-espèce, voir une espèce, elle préfère considérer ces animaux comme simplement des variétés d'animaux sauvages. Le Dingo a un statut plus compliqué encore, les études phylogénétique le rapprochant des populations de loup iranien, il est pourtant considéré comme une variété du chien domestique, qui lui ne semble pas directement issu du loup iranien.
Les recherches sont encore en cours.