Modifié d'après Romer et Price (1940).
Certains pélycosaures étaient auparavant classés avec des diapsides: plusieurs auteurs avaient vu deux fosses temporales sur des crânes de Dimetrodon (Case, 1924) ou de Palaeohatteria (Osborn, 1903) dont la région temporale était mal préservée.
─o Synapsida ├─o Caseasauria │ ├─o Eothyridae │ └─o Caseidae └─o Eupelycosauria ├─o Varanopidae └─o ├─o Ophiacodontidae └─o ├─o Edaphosauridae └─o Sphenacodontia ├─o Haptodus └─o ├─o Palaeohatteria └─o ├─o Pantelosaurus └─o ├─o Cutleria └─o ├─o Ianthodon └─o Sphenacodontoidea ├─o Sphenacodontidae └─o Therapsida
Relations phylogénétiques d'après Reisz (1986), Laurin (1993) et Kissel & Reisz (2004).
Les Pelycosauria forment donc un groupe paraphylétique: ils regroupent tous les synapsides qui ne sont pas des thérapsides. Au sens de la cladistique, Pelycosauria est synonyme de Synapsida, c'est-à-dire qu'il contient tous les animaux plus proches des mammifères que des reptiles actuels. Beaucoup d'ordres de pélycosaures sont devenus obsolètes, car ce sont des grades évolutifs.