La classe Cephalopoda a été traditionnellement divisée en trois sous-classes  sur la base de la structure de coquille, et sur la base des ouïes et d'autres pièces molles. 

Toutefois cette classification basé sur des piéces molles n'est valable que pour les formes actuelles puisque les tissu mou ne sont que très rarement conservés (seule quelques ammonites dévonienne et jurassique ont préservé des cicatrices d'attachement de muscle). Pour les fossiles, la classification suit donc essentiellement la forme de la coquille.

Sous-classe :  Palcephalopoda
    La plupart du temps est équivalent au terme Nautiloidea. Radula à 9 dents et 4 marginale. Quatre ouïes. Formes primitives probablement à 10 bras. phragmocône très développé et grand, à l'origine légèrement incurvé

        Infraclasse Ellesmeroceroidea (ou plusieurs infraclasses ?)

              Ordre Plectronocerida Flower, 1964
                            Yanhecerida Chen et Qi, 1979 (ou inclus dans Plectronocerida ou Ellesmerocerida ?)
                            Protactinocerida Chen et Qi, 1979 (ou inclus dans Plectronocerida ou Ellesmerocerida ?)
                        Ellesmerocerida Flower, 1950
                        Endocerida Teichert, 1933
                        Injetocerida Balashov, 1960 (ou inclus dans Endocerida ?)
                        Discosorida Flower, 1950
                        Actinocerida  Teichert, 1933
                        (Pseudorthocerida)

        Infraclasse Nautiloidea Agassiz, 1947 (= Nautiloidea "stricto de sensu")

              Ordre Tarphycerida Flower, 1950
                    Sous ordre Tarphycerina Flower, 1950
                    Sous ordre Barrandeocerina Flower
              Ordre Oncocerida Flower, 1950
              Ordre Nautilida Agassiz, 1847


Sous-classe : Neocephalopoda

        Infraclasse Orthoceratoidea Kuhn, 1940

              Ordre Orthocerida Kuhn, 1940
              Ordre Ascocerida Kuhn, 1949

          Infraclasse Ammonoidea Agassiz, 1947

              Ordre Bactritida Shimanskiy
                        Anarcestida Miller et Fournissez 1954
                        Goniatitida Hyatt 1884
                        Clymeniida Wedekind 1927
                        Prolecanitida Miller et Fournissez 1954
                        Ceratitida Hyatt 1884
                        Phyllocerida Kuhn, 1940
                        Lytocerida Hyatt 1889
                        Ammonitida Agassiz 1847
                        Ancylocerida Wedman 1966


          Infraclasse Coleoidea Bather, 1888

              Ordre Boletzkiyida Bandel, Reitner et Stürmer 1983
                        Aulococerida Wedman 1966
                        Belemnitida Zittel 1885
                        Phragmoteuthida Jeletzky 1964
                        Teuthida Naef 1916
                        Belemnoteuthida Stolley 1919
                        Sepiida Naef 1916
                        Vampyromorpha Grimpe 1917
                        Octopodida Leach 1818