Zauropsyd ten poruszał się prawdopodobnie na dwóch tylnych kończynach i osiągał największe rozmiary spośród członków swej rodziny, dinozaurów grubogłowych. Użycie danych uzyskanych dzięki innym jej rodzajom pomogło oszacować jego długość na około 4,6 metra. Zwierzę to miało bardzo krótką, grubą szyję, krótkie przednie łapy, potężne ciało, długie tylne kończyny i ciężki ogon, który wspierały skostniałe ścięgna.
Klasyfikacja i systematyka thumb|Czaszka holotypu Pachycephalosaurus „reinheimeri” (osobnik dorosły, DMNS 469)
Kladogram według Williamsona i Carra, 2002. Jeden z umieszczonych na nim rodzajów, Yaverlandia, nie jest już zaliczany do pachycefalozaurów.
Pachycephalosaurus użyczył swej nazwy kladowi Pachycephalosauria obejmującemu roślino- lub wszystkożerne dinozaury ptasiomiedniczne żyjące w późnej kredzie w Ameryce Północnej i Azji. Pomimo przyjmowanej pozycji dwunożnej za ich najbliższych krewnych uchodzą czworonożne ceratopsy, a nie ornitopody.
Pachycephalosaurus to najbardziej znany, chociaż nie najlepiej zachowany, przedstawiciel swej rodziny, obejmującej także rodzaje stenopeliks, wannanozaur, gojocefal, stegoceras, homalocefal, tylocefal, sferotol i prenocefal.