Carnotaurus jest eponimem dwóch podgrup abelizaurydów: Carnotaurinae i Carnotaurini. Nie wszyscy paleontolodzy je akceptują. Carnotaurinae zdefiniowano jako klad obejmujący zaawansowane abelizaurydy bez abelizaura, uznawanego za bazalnego członka grupy w większości badań. Jednak w 2008 r. ukazał się przegląd sugerujący, że abelizaur był zaawansowanym abelizaurydem. Carnotaurini zaproponowano jako klad tworzony przez karnotaura i aukazaura; grupę tę wyróżniają jednak tylko paleontolodzy uznający aukazaura za najbliższego krewnego karnotaura.
Odkrycie mały|Poznany materiał Carnotaurus Jedyny znany szkielet (holotyp MACN-CH 894) został odkopany w 1984 r. podczas ekspedycji argentyńskiego paleontologa José Bonaparte, podczas której odkryto również kolczastego zauropoda amargazaura. Była to ósma wyprawa w obrębie projektu „Jurassic and Cretaceous Terrestrial Vertebrates of South America”, rozpoczętego w 1976 r., który sponsorowało National Geographic Society. Szkielet był dobrze zachowany, kości łączyły się z sobą stawowo. Tylko dystalne dwie trzecie ogona, większość kończyny dolnej i stopa zostały zniszczone w procesie wietrzenia. Podczas fosylizacji czaszka, a zwłaszcza pysk zostały zmiażdżone bocznie, natomiast kość przedszczękowa została wypchnięta do góry na kości nosowe.