Thalattosauria omvat Noord-Amerikaanse geslachten zoals Thalattosaurus en Nectosaurus, evenals recent beschreven Chinese vormen als Xinpusaurus. Een studie uit 1999 van thalattosauriërs, die veel van de momenteel geaccepteerde fylogenie van de groep vaststelde, verwees naar Thalattosauroidea als Thalattosauria, terwijl ze de grotere groep Thalattosauriformes noemden. Meer recente fylogenetische studies zijn tot dezelfde conclusies gekomen, maar verwijzen naar de groep als Thalattosauroidea om het te contrasteren met een andere superfamilie van thalattosauriërs, Askeptosauroidea. Hieronder is een cladogram van Wu et al. (2009) met de fylogenetische verwantschappen van Thalattosauroidea: