Cryolophosaurus wykazuje wiele cech zarówno zaawansowanych, obecnych u tetanurów, jak i bardziej prymitywnych, występujących u ceratozaurów. Kilka cech, takich jak m.in. obecność otworu u podstawy wyrostka nosowego kości przedszczękowej i grzebienia nosowo-łzowego, sugeruje pokrewieństwo kriolofozaura z grupą wczesnojurajskich teropodów obejmującą dilofozaura i drakowenatora. Cechy plezjomorficzne występują w szczególności w szkielecie pozaczaszkowym, zaś zaawansowane – w czaszce.
Klasyfikacja thumb|240px|Rekonstrukcja Cryolophosaurus Ustalenie pozycji filogenetycznej Cryolophosaurus elioti jest trudne ze względu na występującą u niego mozaikę cech zarówno prymitywnych, jak i zaawansowanych. Pewna jest jego przynależność do neoteropodów. Hammer i Hickerson nie przedstawili szczegółowej pozycji taksonu wewnątrz Theropoda, jednak spostrzegli jego podobieństwa do środkowo- i późnojurajskich dużych tetanurów. Niektóre analizy wsparły hipotezę o przynależności kriolofozaura do tetanurów, jednak badania Smitha i współpracowników z 2007 roku sugerują, że Cryolophosaurus należy do kladu średniej wielkości wczesnojurajskich teropodów, obejmującego również Dilophosaurus wetherilli, Dracovenator regenti i „Dilophosaurus” sinensis. Według tej analizy jest on siostrzany wobec kladu Neoceratosauria + Tetanurae.