Klasyfikacja Troodona zalicza się do rodziny Troodontidae. Jest ona definiowana jako dinozaury, którym bliżej do gatunku Troodon formosus niż Ornithomimus velox, Mononykus olecranus, Therizinosaurus cheloniformes, Oviraptor philoceratops, Velociraptor mongoliensis, Passer domesticus (Senter i inni 2004). Występowały one w Ameryce Północnej i Azji, choć Elopteryx znany z terenów Europy również może być ich przedstawicielem. Największe zróżnicowanie osiągnęły w późnej kredzie. Najstarsi przedstawiciele tej grupy znani są z jury. Nazwany „Lori” troodont oznaczony jako WDC DML 001 został znaleziony na terenach formacji Morrison, w której odkryto również szczątki takich dinozaurów jak m.in. apatozaur i allozaur. WDC DML 001 żył mniej więcej w tym samym czasie, co archeopteryks. Pierwsze skamieliny troodontów zostały opisane w 1856 przez Leidy'ego, który uznał je za należące do jaszczurek. Były to pojedynczy ząb należące do troodona. W 1924 Gilmore uznał, że należą one do dinozaurów ptasiomiednicznych, a nie jaszczurek. W 1969 utworzono rodzinę Troodontidae, którą zaliczano do grupy Deinonychosaria razem z dromeozaurami takimi jak welociraptor. Holtz w 1994 na podstawie kilku cech np. kształtu puszki mózgowej i długiego niskiego otworu w szczęce górnej uznał troodony za krewnych ornitomimozaurów.