Caseasauria generalnie są klasyfikowane jako grupa siostrzana do kladu obejmującego wszystkie pozostałe synapsydy. Z badań Bensona (2012) wynika jednak, że taka ich pozycja filogenetyczna (i tym samym istnienie tradycyjnie rozumianych Eupelycosauria) jest niepewna. Analiza kladystyczna uwzględniająca tylko cechy budowy czaszki potwierdziła, że Caseasauria były najbardziej bazalnymi synapsydami; natomiast z analizy uwzględniającej tylko cechy budowy szkieletu pozaczaszkowego oraz analizy uwzględniającej cechy zarówno czaszki, jak i szkieletu pozaczaszkowego, wynikło, że najbardziej bazalny był klad obejmujący rodziny Varanopidae i Ophiacodontidae. Benson zwrócił uwagę, że w budowie szkieletu pozaczaszkowego synapsydów z rodzin Caseidae i Edaphosauridae występują podobieństwa, które mogą wpływać na wynik analiz kladystycznych. Nie był jednak pewien, czy podobieństwa te istotnie wynikają z pokrewieństwa tych rodzin, czy też są jedynie skutkiem przystosowania się przedstawicieli obu tych rodzin do roślinożerności. Według Bensona wątpliwość tę mogłyby wyjaśnić szkielety pozaczaszkowe przedstawicieli Caseasauria innych niż Caseidae, ale ci byli wówczas znani wyłącznie z czaszek.