Um leão tem 38 cromossomos agrupados em 19 pares. Quinze desses pares são comuns em todas as espécies de gatos.
O leão é classificado no reino animalia, filo chordata, classe mamífero, ordem carnívora, família felidae e espécie panthera leo. As duas subespécies de panthera leo são comumente conhecidas como o leão africano e o leão asiático, com apenas pequenas distinções genéticas entre os dois.
Devido à diversificação relativamente recente de muitas espécies, que ocorreu apenas 10 a 15 milhões de anos atrás, os cientistas encontraram alguma dificuldade em determinar o processo evolutivo dos felídeos, ou família dos felinos. O cariótipo da família, que se refere à aparência e ao número de cromossomos dentro do núcleo da célula, foi mantido ao longo do desenvolvimento filogenético da família. No entanto, seis haplótipos únicos, ou variações hereditárias de DNA no mesmo cromossomo, foram descobertos em um estudo filogenético realizado em 2005. Esses polimorfismos resultaram na formação de dois clados, um grupo de leões que vagam pelas savanas orientais e outro grupo que habita as savanas ocidentais. Existem pelo menos dois outros grupos, que estão distribuídos nas regiões sudoeste e nas areias de Sabi.
Os parentes mais próximos dos leões são os tigres, que contêm o mesmo número de cromossomos que os leões. Em cativeiro, os dois grandes felinos são freqüentemente cruzados para produzir tigons e ligres. O pai de um tigon é um tigre, enquanto o pai de um ligre é um leão. Esses híbridos são conhecidos por serem férteis.
