Ceratosaurus użycza swej nazwy grupie ceratozaurów (Ceratosauria), kladowi teropodów, które oddzieliły się wcześnie z linii ewolucyjnej, z której pochodzą ptaki. Najbliższym krewnym ceratozaura wydaje się być argentyński Genyodectes, o podobnie wydłużonych zębach. Geologicznie starszy rodzaj Proceratosaurus z Anglii, choć pierwotnie opisany jako przypuszczalny przodek Ceratosaurus, później okazał się nie być z nim blisko spokrewniony. Ceratosaurus dzielił siedlisko z innymi dużymi teropodami, jak torwozaur czy allozaur. Istnieją przypuszczenia, że każdy z tych rodzajów zajmował inną niszę ekologiczną, co zmniejszało konkurencję. Ceratosaurus mógł polować na dinozaury roślinożerne, choć niektórzy paleontolodzy zasugerowali, że preferował zwierzęta wodne, takie jak ryby. Róg na nosie raczej nie służył jako broń, jak to pierwotnie wyobrażał sobie Marsh; prawdopodobnie miał znaczenie jedynie w pokazach.