Một con sư tử có 38 nhiễm sắc thể được nhóm lại thành 19 cặp. Mười lăm cặp trong số này là phổ biến ở tất cả các loài mèo.
Sư tử được phân loại theo giới động vật, phylum chordata, động vật có vú lớp, bộ ăn thịt, họ felidae và loài panthera leo. Hai loài phụ của panthera leo thường được gọi là sư tử châu Phi và sư tử châu Á, chỉ có sự khác biệt nhỏ về mặt di truyền giữa hai loài này.
Do sự đa dạng hóa tương đối gần đây của nhiều loài, chỉ xảy ra cách đây 10 đến 15 triệu năm, các nhà khoa học đã gặp một số khó khăn trong việc xác định quá trình tiến hóa của họ mèo, hay họ mèo. Karyotype của gia đình, liên quan đến sự xuất hiện và số lượng nhiễm sắc thể trong nhân tế bào, đã được giữ lại trong suốt quá trình phát triển loài của gia đình. Tuy nhiên, sáu dạng đơn bội độc đáo, hoặc các biến thể DNA có thể di truyền trên cùng một nhiễm sắc thể, đã được phát hiện trong một nghiên cứu phát sinh loài được thực hiện vào năm 2005. Những đa hình này dẫn đến sự hình thành của hai bầy, một nhóm sư tử đi lang thang ở các savan phía đông và một nhóm khác sinh sống các savan phía tây. Ít nhất hai nhóm khác còn tồn tại, phân bố ở các khu vực phía tây nam và ở Sabi Sands.
Họ hàng gần nhất của sư tử là hổ, có chứa cùng số lượng nhiễm sắc thể với sư tử. Trong điều kiện nuôi nhốt, hai con mèo lớn thường được lai tạo với nhau để tạo ra những con hổ mang chúa và sư tử cái. Cha của một con tigon là một con hổ trong khi cha của một con liger là một con sư tử. Những con lai này được biết là có khả năng sinh sản tốt.
