Klasyfikacja Fraas na bazie zdjęć uznał Datheosaurus za możliwego przedstawiciela Palaeohatteriae. Schroeder (1905) uznał, że zły stan zachowania czaszki utrudnia dokładne ustalenie pokrewieństwa. Stwierdził jednak, że bardziej przypominał Mesosaurus, Kadaliosaurus i Protorosaurus, niż Palaeohatteria. Według Willistona (1912) był to bliski krewny Kadaliosaurus, Araeoscelis i Paleohatteria. Huene zaliczył go do pelikozaurów. Romer i Price (1940) uznali holotyp Datheosaurus za przedstawiciela Sphenacodontia. Jednocześnie włączyli D. macrourus do rodzaju Haptodus, tworząc nową kombinację - Haptodus macrourus. Kolejni badacze często uznawali D. macrourus za młodszy synonim Haptodus baylei.
Dopiero badanie Spindlera i in. (2016) wykazało, że Datheosaurus to ważny rodzaj, w dodatku nienależący do Sphenacodontia, a do Caseasauria. Taka pozycja filogenetyczna była wspierana przez kształt kości szczękowej, rozmiar i położenie okna ciemieniowego oraz obecność szerokich tylnych żeber. Spindler i in. (2016) nie zdecydowali się jednak na przeprowadzenie analizy filogenetycznej.
Według analiz filogenetycznych Brocklehursta i in. (2016) Datheosaurus był przedstawicielem Caseidae bardziej zaawansowanym od Eocasea i Callibrachion, lub bardziej zaawansowanym od Eocasea, ale siostrzanym do Callibrachion.