Un leone ha 38 cromosomi raggruppati in 19 coppie. Quindici di queste coppie sono comuni in tutte le specie di gatti.
Il leone è classificato sotto regno animale, phylum chordata, classe mammalia, ordine carnivora, famiglia felidae e specie panthera leo. Le due sottospecie di panthera leo sono comunemente conosciute come il leone africano e il leone asiatico, con solo piccole distinzioni genetiche tra i due.
A causa della relativamente recente diversificazione di molte specie, avvenuta solo da 10 a 15 milioni di anni fa, gli scienziati hanno incontrato alcune difficoltà nel determinare il processo evolutivo dei felidi, o famiglia di gatti. Il cariotipo della famiglia, che riguarda l'aspetto e il numero di cromosomi all'interno del nucleo della cellula, è stato mantenuto durante lo sviluppo filogenetico della famiglia. Tuttavia, sei unici aplotipi o variazioni ereditabili del DNA sullo stesso cromosoma sono stati scoperti in uno studio filogenetico condotto nel 2005. Questi polimorfismi hanno portato alla formazione di due cladi, un gruppo di leoni che vagano nelle savane orientali e in un altro gruppo che abitano le savane occidentali. Esistono almeno altri due gruppi, distribuiti nelle regioni sud-occidentali e Sabi Sands.
I parenti più stretti dei leoni sono le tigri, che contengono lo stesso numero di cromosomi dei leoni. In cattività, i due grandi felini vengono spesso incrociati per produrre tigoni e ligeri. Il padre di un tigone è una tigre, mentre il padre di un lupo è un leone. Questi ibridi sono noti per essere fertili.
