Un lion a 38 chromosomes regroupés en 19 paires. Quinze de ces paires sont communes à toutes les espèces de chats.
Le lion est classé dans le royaume animalia, le phylum chordata, la classe des mammifères, l'ordre des carnivores, la famille des félidés et l'espèce panthera leo. Les deux sous-espèces de Panthera leo sont communément appelées lion d'Afrique et lion d'Asie, avec seulement des distinctions génétiques mineures entre les deux.
En raison de la diversification relativement récente de nombreuses espèces, survenue il y a seulement 10 à 15 millions d'années, les scientifiques ont rencontré des difficultés pour déterminer le processus évolutif des félidés, ou famille des chats. Le caryotype de la famille, qui concerne l'apparence et le nombre de chromosomes dans le noyau de la cellule, a été conservé tout au long du développement phylogénétique de la famille. Cependant, six haplotypes uniques, ou variations d'ADN héréditaires sur le même chromosome, ont été découverts dans une étude phylogénétique menée en 2005. Ces polymorphismes ont entraîné la formation de deux clades, un groupe de lions qui errent dans les savanes orientales et un autre groupe qui habite les savanes occidentales. Au moins deux autres groupes existent, qui sont répartis dans les régions du sud-ouest et dans les sables de Sabi.
Les plus proches parents des lions sont les tigres, qui contiennent le même nombre de chromosomes que les lions. En captivité, les deux grands félins sont souvent croisés pour produire des tigons et des ligres. Le père d'un tigon est un tigre tandis que le père d'un ligre est un lion. Ces hybrides sont connus pour être fertiles.
