1979年にガルトンとジェンセンによって最初に記載された際には[2]、トルヴォサウルスはメガロサウルス科に分類され、今日ではこの分類が受け入れられている[7]。最初の記載の後、1990年にはラルフ・モルナー(英語版)らによりカルノサウルス類に分類され[15]、2003年にはOliver Walter Mischa Rauhutにより基盤的なスピノサウルス上科(英語版)に位置づけられ[16]、1994年にはトーマス・ホルツ(英語版)により非常に基盤的なテタヌラ類と位置づけられたが[17]、これらの分類は現代の系統解析によって支持されているものではない[7]。ジェンセンは1985年にトルヴォサウルスを独自の科であるトルヴォサウルス科(Torvosauridae)に分類した[4]。この分類はポール・セレノ[18]とマテウス[10]に支持されたものの、トルヴォサウルスはより古い時代の属であるメガロサウルスに近縁であり、おそらくはその姉妹群ありメガロサウルス亜科(Megalosaurinae)に含まれるため、メガロサウルス科のシノニムとなるトルヴォサウルス科は不要なものとされた[7]。しかし、メガロサウルスのタイプ標本は非常に断片的であり、メガロサウルス属が確定不能な疑問名とみなされる可能性がある。この場合トルヴォサウルス科がメガロサウルス科の代替の名として使用される可能性がある[19]。トルヴォサウルスはメガロサウルスに近縁であるものの、より進歩的もしくは派生的であるようにみられる。科より大きなクレードとしては一般的に基盤的テタヌラ類な分枝とされ、カルノサウルス類やコエルロサウルス類よりほど派生的ではなく、スピノサウルス科に近縁であるとみなされている[7]。
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