En 1874, A. Lakes découvre près de Golden, dans le Colorado des dents ayant appartenu au Tyrannosaurus. Dans les années 1890, J. B. Hatcher rassemble des éléments post-crâniens à l'est du Wyoming. À l'époque, les paléontologues pensaient avoir trouvé des fossiles d'une espèce de grand Ornithomimus (O. grandis), mais ils appartenaient en réalité au Tyrannosaurus rex. Les fragments de vertèbres découverts dans le Dakota du Sud par E. D. Cope en 1892 et nommés Manospondylus gigas ont également été reclassés Tyrannosaurus rex.
Les premiers restes significatifs furent découverts en 1902 et l'animal fut décrit et baptisé par Henry Fairfield Osborn en 1905. Des découvertes de squelettes entiers, en 1988 (au Montana) et 1990 (Dakota du Sud), ont fait considérablement évoluer notre connaissance du tyrannosaure. En 2006, on a découvert, dans un fémur exhumé dans le Montana, des tissus mous appelés « os médullaire » qui n'existent aujourd'hui que chez les oiseaux femelles. Après déminéralisation, les paléontologues y ont retrouvé des vaisseaux sanguins ayant conservé leur élasticité.
Barnum Brown, conservateur adjoint de l'American Museum of Natural History, trouva le premier squelette partiel de Tyrannosaurus rex dans l'est du Wyoming en 1900. H.F. Osborn appela ce squelette Dynamosaurus imperiosus dans un article en 1905. Brown trouva un autre squelette partiel dans la formation de Hell Creek au Montana en 1902. Osborn utilisa cet holotype pour décrire Tyrannosaurus rex et D. imperiosus dans le même article. En 1906, Osborn reconnait les deux comme étant des synonymes, et choisi Tyrannosaurus comme étant le nom valide. Les éléments d'origine de Dynamosaurus se trouvent dans les collections du Natural History Museum de Londres.
Au total, Brown trouva cinq squelettes partiels de Tyrannosaurus. Le spécimen de 1902 fut vendu au Musée d'histoire naturelle Carnegie de Pittsburgh en Pennsylvanie en 1941. La quatrième trouvaille de Brown, la plus complète, fut également retrouvée à Hell Creek et se trouve au Musée américain d'histoire naturelle à New York.
Bien qu'il existe de nombreux squelettes de Tyrannosaurus de par le monde, une seule trace de pas a été documentée - celle du Philmont Scout Ranch, dans le nord du Nouveau-Mexique. Elle a été découverte en 1983 et identifiée et documentée en 1994.
Le 12 août 1990 Sue Hendrickson, paléontologue amateur américaine, découvre le plus complet (environ 85%) et, jusqu'en 2001, le plus grand, squelette fossile de Tyrannosaurus connu dans la formation de Hell Creek près de Faith en Dakota du Sud. Ce Tyrannosaurus, surnommé « Sue » en son honneur, a fait l'objet d'une bataille juridique concernant son propriétaire. En 1997, c'est Maurice Williams, le propriétaire du terrain d'origine, qui a été déclaré propriétaire du fossile, acheté par le Field Museum aux enchères pour 7,6 millions de dollars américains, ce qui en fait le squelette de dinosaure le plus cher à ce jour. De 1998 à 1999, plus de 25 000 heures de travail ont été nécessaires pour nettoyer le squelette. Les os ont ensuite été expédiés au New Jersey où le montage a été réalisé. Une fois achevé, le squelette a été démonté, les os numérotés ont été renvoyés sur Chicago pour l'assemblage final. Le squelette a été montré au public le 17 mai 2000 dans la grande salle du Musée Field. Une étude des os fossilisés a montré que Sue avait atteint sa taille adulte à 19 ans et était morte à 28 ans, ce qui en fait le tyrannosaure le plus âgé jamais découvert. L'hypothèse initiale voulant que Sue soit morte d'une morsure à l'arrière de la tête n'a pas été confirmée. Bien que l'étude du squelette ait retrouvé de nombreuses pathologies osseuses, aucune trace de morsures n'a été retrouvée. Les dégâts de l'arrière de son crâne pourraient avoir été causé par un piétinement post-mortem. Des spéculations récentes indiquent que Sue pourrait être morte après avoir contracté une infection parasitaire consécutive à l'ingestion de viande contaminée; l'infection aurait provoqué une inflammation de la gorge et une impossibilité à s'alimenter, menant finalement Sue à mourir de faim. Cette hypothèse est étayée par la présence de trous dans son crâne, semblables à ceux causés par un parasite similaire, un trichomonas touchant les oiseaux d'aujourd'hui.
Un autre Tyrannosaurus, surnommé « Stan », en honneur au paléontologue amateur Stan Sacrison, fut trouvé dans la formation de Hell Creek prés de Buffalo en Dakota du Sud, au printemps 1987. Après 30 000 heures de travail de préparation et de fouille, un squelette complet a 65% fut mis à jour. Stan est actuellement exposé à l'Institut de recherche géologique de Black Hills à Hill City dans le Dakota du Sud, après avoir effectué une tournée mondiale. Les scientifiques, dont Peter Larson qui avait déjà examiné Sue, ont également retrouvé sur ce tyrannosaure de nombreuses lésions osseuses, notamment des fractures consolidées au niveau des côtes et de la nuque ainsi qu'un trou spectaculaire à l'arrière de sa tête, de la taille d'une dent de Tyrannosaurus.
Durant l'été 2000, Jack Horner découvrit cinq squelettes de Tyrannosaurus près de Fort Peck Reservoir dans le Montana. Un des spécimens, surnommé « C. rex » est l'un des plus grands Tyrannosaurus jamais retrouvé.
En 2001, un squelette complet à 50% d'un juvénile de Tyrannosaurus est découvert dans la formation Hell Creek, par une équipe du Burpee Museum of Natural History de Rockford, Illinois. Surnommé « Jane », le squelette fut initialement considéré comme étant le premier spécimen connu du tyrannosauridé nain Nanotyrannus mais des études ultérieures révélèrent que c'était plus probablement un juvénile de Tyrannosaurus. Il s'agit du juvénile le plus complet et le mieux préservé à ce jour. Jane fut examiné par Jack Horner, Pete Larson, Robert Bakker, Greg Erickson, et plusieurs autres paléontologues de renom. Elle est exposé au Burpee Museum of Natural History de Rockford, Illinois.
En avril 2006, la Montana State University révéla qu'elle était en possession du plus grand crâne de Tyrannosaurus jamais découvert. Trouvé dans les année 1960 et seulement récemment remonté, le crâne mesure 150 cm de long, comparé au 141 cm de Sue, une différence de 6.5%.