Arbre phylogénétique: | `--o Panchelonioidea |--o | |--o Toxochelys † | `--o Ctenochelys † `--o Chelonioidea |--o | |--o | | |--o Euclastes | | `--o Puppigerus | `--o Cheloniidae évolués `--o Pandermochelys |--o Protostegidae † | |--o Santanachelys † | `--o | |--o Notochelone † | `--o | |--o Desmatochelys † | `--o | |--o Chelosphargis † | `--o Protostegidae évolués (dont Protosteginae: Archelon, Protostega, Microstega) `--o Dermochelyidae |--o Corsochelys † `--o |--o Dermochelyidae évolués `--o Mesodermochelys †
Les Protostegidae forment le groupe-frère des Dermochelyidae, la famille des tortues luth (cette famille rassemble une seule espèce vivant actuellement, la tortue luth, plus quelques espèces fossiles).
La classification actuelle des Protostegidae est basée essentiellement sur les travaux de Hirayama en 1994 et Hooks en 1998. L'ancienne famille des Desmatochelyidae , qui contenait certains des genres les plus primitifs, a été abandonnée, et les espèces qu'elle contenait ont été placées au sein des Protostegidae. On note chez toute cette famille, une tendance à la réduction des os de la carapace, et à une perte des scutelles, pour aboutir à une carapace de cuir, comparable à celle de la tortue luth ; les espèces les plus primitives, comme Santanachelys ou Terlinguachelys possèdent encore quelques plaques osseuses et des écailles sur la carapace, ainsi que des caractères plus archaïques au niveau des membres et des mâchoires. La sous-famille des Protosteginae abrite les genres les plus modernes, comme Archelon, Protostega ou Microstega
Une autre tendance évolutive semble être l'augmentation progressive de la taille, avec l'apparition de formes géantes comme Protostega ou Archelon parmi les espèces les plus modernes. Cette tendance est toutefois démentie par quelques espèces, comme Microstega, qui, bien que présentant des caractéristiques très modernes, reste de taille modeste, ou encore "Protostega" eaglefordensis, de grande taille, mais présentant certaines caractéristiques assez archaïques.
La famille des Protostegidae est définie d'après un certain nombre de caractères osseux, parmi lesquels le crâne, et la forme de l'humérus.
Un certain nombre de genre ne sont connus que par des restes partiels, et ont donc un statut incertain, puisqu'on ne peut les attribuer à coup sûr aux Protostegidae.
Dans sa définition actuelle, la famille comporte comporte une vingtaine d'espèces, réparties en une douzaine de genres, la plupart monospécifiques, auxquelles ils convient d'ajouter quelques taxons à la position phylogénétique incertaine.
L'espèce "Protostega" eaglefordensis pose problème ; il a récemment été démontré que l'espèce ne faisait pas partie du genre Protostega ; pour autant, aucun nom de genre n'a pu lui être attribué, et sa relation avec la famille des Protostegidae reste obscure.