古生物ファンや博物館の来館者が最も驚く事実の一つが、「ディメトロドンは恐竜の仲間ではない」という点です。見た目が爬虫類風であるため混同されがちですが、骨格構造や系統発生学において、恐竜とは根本的に異なる進化の道を歩んでいました。
生物分類学上、脊椎動物の頭骨側面にある側頭窓（あな）の構造によってグループが分かれます。トカゲ、ヘビ、ワニ、鳥類、そして恐竜は側頭窓が上下に2組ある「双弓類（そうきゅうるい）」に属します。一方で、ディメトロドンは眼の後ろに側頭窓が1組しか存在しない「単弓類（たんきゅうるい）」に分類されます。この単弓類こそが、後に進化して毛皮と乳腺を獲得し、現代の人間へとつながる哺乳類の祖先グループです。
つまり、ディメトロドンはティラノサウルスやステゴサウルスよりも、遺伝的・系統的に私たち人間に近い「遠い親戚」と位置付けられます。さらに、生息した時代にも決定的な隔たりがあります。ディメトロドンが繁栄したのは古生代ペルム紀前期（約2億9,500万年〜約2億7,200万年前）であり、中生代三畳紀後期（約2億3,000万年前）に最初の恐竜が誕生するより約4,000万年以上も昔のことです。ディメトロドンと恐竜が同じ時代・同じ場所で共存した事実は一度もありません。
