Tradycyjnie pojmowane pelykozaury obejmowały wszystkie synapsydy nie należące do terapsydów (w tym do ssaków). Jednak terapsydy są potomkami tak definiowanych pelykozaurów, które – nie obejmując terapsydów – stawały się grupą parafiletyczną. Z tego powodu obecnie generalnie nie wyróżnia się tej grupy. Tradycyjnie pojmowane pelykozaury wchodzą w skład dwóch siostrzanych monofiletycznych kladów synapsydów: Caseasauria, obejmującego rodziny Caseidae i Eothyrididae, oraz Eupelycosauria, obejmującego nie tylko wszystkie pozostałe "pelykozaury" (m.in. rodzaje Dimetrodon, Edaphosaurus, Ophiacodon czy Varanops), ale i wszystkie terapsydy (w tym ssaki).