Trznadel szarogłowy okazał się być gatunkiem siostrzanym wobec trznadla złotawego (S. aurelous), a ich linie rozwojowe rozdzieliły się około 3,07 mln lat temu. Linie rozwojowe kladów S. aurelous+S. spodocephala oraz S. variabilis+S. chrysophrys+S. tristrami rozeszły się blisko 4,0 mln lat temu. Hooper i Price (2017) uzyskali częściowo zbieżne wyniki, jednak nie uwzględnili kilku gatunków. Według nich trznadle złotawy i szarogłowy również są gatunkami siostrzanymi, lecz najbliżej spokrewnionymi z nimi jest trznadel złotobrewy (S. chrysophrys). Ten blisko 5,5 mln lat temu oddzielił się od kladu S. chrysophrys+S. spodocephala, natomiast linie rozwojowe tych dwóch gatunków rozeszły się 4,66 mln lat temu. W badaniu nie uwzględniono trznadli szarych i amurskich.