Wiele spośród nich występowało także u celurozaurów, co wpływało na błędy w klasyfikowaniu taksonów. Przeprowadzona przez Bensona i współpracowników analiza kladystyczna potwierdziła monofiletyzm Neovenatoridae. Taksonem siostrzanym wobec Neovenatoridae są Carcharodontosauridae, a kladowi obejmującemu te dwie grupy nadano nazwę Carcharodontosauria. Według analizy najbardziej bazalnymi przedstawicielami Neovenatoridae są Neovenator i Chilantaisaurus. Stanowią one sukcesywnie coraz bliższe grupy zewnętrzne kladu Megaraptora, obejmującego pozostałe Neovenatoridae. Natomiast z analizy filogenetycznej przeprowadzonej przez Novasa i współpracowników (2013) wynika, że tak rozumiane Neovenatoridae byłyby polifiletyczne; analiza potwierdziła bliskie pokrewieństwo Neovenator z Carcharodontosauridae (byłby on jedynym przedstawicielem Neovenatoridae), ale zarazem wskazała, że Megaraptor, Aerosteon, Orkoraptor, Australovenator (łączone w rodzinę Megaraptoridae) oraz Fukuiraptor są celurozaurami blisko spokrewnionymi z tyranozaurami.