z przeprowadzonej przez autorów jego opisu analizy kladystycznej wynika, że oprócz niego do rodziny Hylaeochampsidae należał także północnoamerykański gatunek Pachycheilosuchus trinquei (przez innych autorów uznawany za spokrewniony z rodziną Atoposauridae), a gatunki te były taksonami siostrzanymi. Zdaniem Buscalioni i in. cechy łączące Pachycheilosuchus z Atoposauridae są jednak homoplazjami wynikającymi z niewielkich rozmiarów. Zarówno Pachycheilosuchus, jak i Pietraroiasuchus mają przodowklęsłe kręgi; u Pietraroiasuchus kości skrzydłowe uczestniczą w tworzeniu nozdrzy wewnętrznych (cecha nieznana u Pachycheilosuchus). W swojej analizie Buscalioni i wsp. nie uwzględnili jednak przedstawicieli Atoposauridae poza Theriosuchus, którego użyto jako jednej z grup zewnętrznych względem analizowanych taksonów. Autorzy ci przedstawili również definicję filogenetyczną, zgodnie z którą do Hylaeochampsidae należy ostatni wspólny przodek gatunków Hylaeochampsa vectiana, Iharkutosuchus makadii, Pachycheilosuchus trinquei i Pietraroiasuchus ormezzanoi i wszyscy jego potomkowie.