Autapomorfiami A. chilensis są: występujące w trzonach kręgów grzbietowych otwory (pleurocele), które są zaokrąglone lub eliptyczne i nie są spiczasto zakończone; silnie wklęsła powierzchnia wentralna (brzuszna) kręgów grzbietowych; bocznie spłaszczone wyrostki kolczyste (o ostrej przedniej krawędzi) na tylnych kręgach ogonowych oraz trzon kości udowej, który stopniowo zwęża się ku dołowi przez 2/3 swojej długości. W porównaniu z zachowaną częścią kości ramiennej kość udowa była smuklejsza, co może sugerować, że u Atacamatitan kończyny przednie były mocniej zbudowane niż kończyny tylne.
Pozycja filogenetyczna A. chilensis w obrębie tytanozaurów jest niepewna. Autorzy jego opisu nie przeprowadzili analizy kladystycznej w celu ustalenia jego pokrewieństw; w oparciu o porównania z kośćmi innych tytanozaurów zakładają, że Atacamatitan był tytanozaurem bardziej bazalnym niż przedstawiciele rodziny Saltasauridae, ale jednocześnie był bliżej spokrewniony z tą rodziną niż z malawizaurem. Autorzy wykluczyli też jego przynależność do kladu Aeolosaurini.