La especie tipo, Pachycephalosaurus wyomingensis, es la única especie existente y fue establecida en 1931 por Charles White W. Gilmore. Gilmore estableció una porción del cráneo (número de serie USNM 12031) de la Formación Lance en el condado de Boralai, Wyoming, como una nueva especie de Wyoming T. odontosaurus. Los únicos dientes fósiles de Odontosaurus descubiertos en ese momento eran muy similares a los de Stegosaurus, por lo que se consideraba que Odontosaurus y Stegosaurus eran el mismo animal. En aquella época todos los géneros de Cephalotaxus estaban incluidos en el género Cephalotaxus, error que no fue corregido hasta 1945 por Charles Sternberg.
En 1942, Barnum Brown y Erich Schlaikjer establecieron el género Pachycephalosaurus basándose en fósiles relativamente completos recientemente descubiertos y establecieron el género Pachycephalosaurus cambiando el nombre del Wyomingodon original como la especie tipo de Pachycephalosaurus. También establecieron P. grangeri y P. reinheimeri. El fósil (no fechado en 1696 de Pachycephalosaurus) es un cráneo casi completo encontrado en la Formación del Río Hale en el municipio de Yekalaka, condado de Carter, Montana. El fósil de Ranema pachydantosaurus (DMNH 469), la parte superior de un cráneo con varios fragmentos conectados, se encontró en la Formación Ranma en el condado de Colson, Dakota del Sur [15]. Desde 1983, los dos últimos se consideran sinónimos de Wyoming Pachycephalosaurus.