Rodzina zawiera 16 rodzajów obejmujących ponad 200 gatunków.
Amphibian Species of the World 6.2, an Online Reference wyróżnia następujące podrodziny: Colostethinae Cope, 1867 Dendrobatinae Cope, 1865 Hyloxalinae Grant, Frost, Caldwell, Gagliardo, Haddad, Kok, Means, Noonan, Schargel & Wheeler, 2006
oraz gatunek o niepewnej przynależności taksonomicznej i niesklasyfikowany w żadnej z podrodzin: „Colostethus” poecilonotus Rivero, 1991
Ubarwienie Niektóre gatunki drzewołazowatych wykształciły wewnątrzgatunkowy polimorfizm ubarwienia, który pojawił się 6 tys. lat temu. Wobec tego taki gatunek, jak drzewołaz malarski, może wykazywać formy różniące się wzorami, które można ze sobą krzyżować (kolory dziedziczą się poligenowo, podczas gdy same wzory pozostają prawdopodobnie pod kontrolą pojedynczego locus). Zróżnicowane ubarwienie było w przeszłości przyczyną brania pojedynczego gatunku za kilka odrębnych, a wśród taksonomów cały czas panują kontrowersje.