Carnotaurus należy do najlepiej poznanych rodzajów abelizaurydów, rodziny wielkich teropodów o zasięgu występowania ograniczonym do dawnego południowego superkontynentu Gondwany. Abelizaury były dominującymi drapieżnikami na Gondwanie w kredzie późnej. Zastąpiły karcharodontozaury, zajmując niszę ekologiczną zajmowaną na kontynentach północnych przez tyranozaury. Rozwinęły one takie godne wspomnienia cechy, jak skrócenie czaszki i ręki, jak też pewne osobliwości kręgów szyjnych i ogonowych – cechy te były u karnotaura wyrażone silniej, niż u jakiegokolwiek innego abelizauryda.
Choć relacje pokrewieństwa pomiędzy abelizaurydami wciąż podlegają debacie, analizy kladystyczne uznają karnotaura zgodnie za jednego z najbardziej zaawansowanych ewolucyjnie członków rodziny. Wedle różnych badań jego najbliższym krewnym może być aukazaur lub mażungazaur. Ta niepewność rodzi się głównie z powodu niekompletności szczątków czaszki aukazaura. Inny, bardziej współczesny pogląd sugeruje, że Carnotaurus nie był tak blisko spokrewniony ani z aukazaurem, ani mażungazaurem, zamiast nich jako jego takson siostrzany karnotaura proponuje się ilokelezję.