W obrębie plemienia Pachycephalosaurini jego najbliżsi krewni to drakoreks i Stygimoloch, mogące stanowić nawet jego młodociane formy.
Historia thumb|left|Szkielet pachycefalozaura wystawiany w Royal Ontario Museum w Toronto Szczątki przypisywane pachycefalozaurowi mogły zostać znalezione już w latach pięćdziesiątych XIX wieku. Jak ustalił Donald Baird, w 1859 lub 1860 Ferdinand Vandiveer Hayden, wczesny zbieracz skamieniałości na zachodzie Ameryki Północnej, zdobył fragment kości w okolicy rzeki Missouri, na terenie obecnie określanym jako formacja Lance w południowo-wschodniej Montanie. Znalezisko to, obecnie ANSP 8568, opisał w 1872 Joseph Leidy, uznając je za część pancerza jaszczurki lub zwierzęcia przypominającego pancernika. Jego prawdziwe pochodzenie nie ujawniło się, aż Baird ponad 100 lat później określił je jako kość łuskową pachycefalozaura. Obecne kostne grudki korespondowały z widocznymi na innych znaleziskach tego rodzaju. Ponieważ nazwa Tylosteus jest starsza od Pachycephalosaurus, zgodnie z obowiązującymi zasadami nomenklatury zoologicznej powinna być zachowana. Baird jednakże upierał się przy użyciu tej drugiej, młodszej, ponieważ pierwsza z nich nie była używana przez ponad pół wieku, bazowała za niezdiagnozowanym materiale i wiązały się z nią kiepskie dane stratygraficzne i geograficzne.