在以前人们认为最早的棘龙科恐龙出现于侏罗纪晚期启里莫阶，约1亿5500万年前，截止2018年发现的侏罗纪晚期化石，仅限于牙齿化石。生存在东非坦桑尼亚的东非龙，但因为只发现牙齿，所以是无效种，这些牙齿被认为可能是角鼻龙类的。

由于白垩纪中期森诺曼阶的地质大变动，使得冈纳瓦大陆解体，非洲、南美洲的自然环境受到了严重破坏，作为掠食者的棘龙科恐龙失去了食物来源，也走向了衰落。各地顶级掠食者的位置渐渐地被兴起的阿贝力龙科和暴龙科恐龙所取代。阿根廷的土仑阶地层，曾发现过类似棘龙科的牙齿，但2009年的研究显示发现这些牙齿属于镶嵌踝类主龙。近年在中国河南省马家村组发现一颗重爪龙亚科的牙齿，地质年代属于桑托阶中期。

2013年，中国东北黑龙江省嘉萌县发现了一颗大型兽脚类恐龙的牙齿，该牙齿短粗、圆锥型，表面有发育的纵向脊，前后边缘呈锐利的脊状却没有小锯齿，与河南省马家村组发现的重爪龙亚科牙齿极其相似。该牙齿被认定属于棘龙科重爪龙亚科。该地层的年代是晚白垩纪6800万年前的马斯特里赫特阶中期，意味着棘龙科可能持续在生存到了白垩纪最末期。

棘龙科是由恩斯特·斯特莫（Ernst Stromer）在1915年所命名，当时仅包括棘龙属。因为许多棘龙的近亲被发现，所以棘龙科的物种开始增加。棘龙科的首次亲缘分支分类法定义，是由保罗·塞里诺（Paul Sereno）在1998年定义：在棘龙科中，与棘龙较为亲近，而离蛮龙较远的所有物种。

棘龙科包含两个亚科：重爪龙亚科、棘龙亚科。棘龙亚科是由塞里诺在1998年所命名，并由汤玛斯·荷兹（Thomas R. Holtz Jr.）等人在2004年定义为：亲缘关系较接近埃及棘龙，而离沃克氏重爪龙较远的所有物种。重爪龙亚科则是由查理格（Alan J. Charig）与Angela C. Milner在1986年所建立，它们为了新发现的重爪龙属建立了重爪龙科与重爪龙亚科；后来重爪龙被发现与棘龙科有关。汤玛斯·荷兹等人在2004年将重爪龙亚科定义为：亲缘关系较接近沃克氏重爪龙，而离埃及棘龙较远的所有物种。

棘龙科Spinosauridae

重爪龙亚科 Baryonychinae

重爪龙 Baryonyx

似鳄龙 Suchomimus

角鳄龙 Ceratosuchops

河堤猎龙 Riparovenator

冠军龙 Protathlitis

伊比利亚棘龙 Iberospinus（可能属于重爪龙亚科与棘龙亚科以外的原始棘龙科）

棘龙亚科 Spinosaurinae

卡马利亚斯龙 Camarillasaurus

暹罗龙 Siamosaurus（存在争议）

扶绥中国上龙 Sinopliosaurus fusuiensis（存在争议，可能属于鱼猎龙）

鱼猎龙 Ichthyovenator

激龙 Irritator

棘龙 Spinosaurus

奥沙拉龙 Oxalaia（无效属，被棘龙属合并）

巴利沃纳女猎龙 Vallibonavenatrix

棘龙拥有独特的帆状物，虽然其他恐龙也可能发展出类似的背椎结构物，例如鸟脚下目的豪勇龙、蜥脚下目的雷巴齐斯龙，以及生存于南美洲的蜥脚类阿玛加龙。棘龙的帆状物也类似异齿龙的背帆；异齿龙是种合弓纲动物，生存于恐龙时代以前的二叠纪，两者的帆状物并非同源演化的特征，而是平行演化的结果。有些学者认为，棘龙的背部结构物可能较类似驼峰，而非帆状物。早在1915年，恩斯特·斯特莫就认为这些背部结构物支撑者脂肪构成的隆肉。在1997年，Jack Bowman Bailey最近提出棘龙、豪勇龙的背棘并非细棒，而是前后轴宽广，不同于盘龙目的扁平背帆，而是类似巨角犀、水牛的背脊，所以棘龙的背棘应是支撑者较厚、较肥胖的结构物，而非细的帆状物。

棘龙的帆状物功能仍未确定；科学家们已提出数个假设，包含调节体温、吸引异性的展示物以及辅助游泳等。此外，如此明显的背部特征可使棘龙的外表看起来比较大，可威胁其他动物。

如果这些帆状物拥有大量的血管，棘龙可使用帆状物的大型表面积来吸收热量。这显示棘龙至少是某种程度的温血动物，并生存于夜间气温低、冷，但天空通常很少云的地区。棘龙与豪勇龙被认为为生存于早期撒哈拉沙漠的边缘，这可解释上述的功能。这些帆状物也有可能用来释放多余的体温，而非收集热量。根据霍尔丹法则（Haldane's principle），与身体体积相比，大型动物反而拥有较小比例的表面积，它们释放的热量温度较高，而吸收的热量温度较低。这些恐龙的帆状物增加相当程度的身体皮肤面积，而且所增加体积最少。此外，如果将这些帆状物远离太阳方向，或是以90度迎接较冷的风，这些身处白垩纪非洲的动物将能更有效地降低体温。之后有其他研究人员提出反对意见，认为如果棘龙有背帆，它们吸收热量的效率，将高于散发热量的效率。他们认为这些有长神经棘的恐龙，背部具有脂肪构成的隆肉，以储存能量。

许多现代动物的复杂身体结构，在求偶季节时具有吸引异性功能。这些恐龙的帆状物有相当可能性具有吸引求偶功能，类似孔雀的尾巴。斯特莫假设这些恐龙的雄性与雌性拥有不同大小的神经棘。如果属实，这些帆状物可能拥有耀眼的颜色，但这是完全建立于推测上的。

这些帆状物可能拥有综合以上功能，平常充当体温调节器、在求偶季节时吸引异性、散发体温、以及在遭受威胁时充当警告物使用。

与其他大型掠食恐龙（例如异特龙、暴龙）相比，棘龙科的颅骨形状、结构有非常大的不同。大部分掠食恐龙的颌部宽而高；棘龙科的颌部扁而狭窄。许多古生物学家因此推测棘龙科无法像其他兽脚类恐龙以大型、强壮的动物为食，而有不同的猎食方式。

汉斯·戴尔特·苏伊士（Hans-Dieter Sues）等人研究激龙的头骨，推测棘龙科是以迅速、强力的嘴部咬合，配合强壮的颈部肌肉作出快速的下咬、后缩动作，将小型猎物咬在嘴中。由于狭窄的嘴部形状、交错的圆锥状牙齿，使嘴部的猎物很难脱困。

因为棘龙科具有类似现代长吻鳄的颌部与牙齿，它们过去常被视为是鱼食性动物，以鱼类为主食。在2007年，埃米莉·雷菲尔德（Emily Rayfield）使用重爪龙的颅骨，计算了棘龙科的生物力学结构。他们发现重爪龙的颅骨结构、咬合力，与现代长吻鳄的模式相似；这显示至少重爪龙亚科是以鱼类为主食，而棘龙亚科似乎也同样。

证据显示棘龙科恐龙以鱼类、以及许多小型到中型的动物为食，也包括了小型恐龙。曾经在重爪龙的胃部区域，发现了鱼类鳞片，以及一只年轻禽龙的被消化骨头；另外曾在一个棘龙标本上，发现了一个鱼类骨头嵌入齿槽；此外还有一个证据显示一只棘龙科恐龙正吞食一只翼龙类。有可能棘龙科是广生性物种，以鱼类、中小型动物为食。

研究人员推测棘龙科是以鱼类为主食，以避免与当地的大型兽脚类恐龙竞争相同食物来源。许多古生物学家因此推测棘龙科有着与众不同的猎食方式。根据分析推断棘龙科是以迅速、强力的嘴部咬合，配合强壮的颈部肌肉作出快速的咬合，将猎物咬在嘴中，由于狭窄的嘴部形状、交错的圆锥状牙齿配合上颌骨肌肉的力量，使得猎物很难挣脱。除此之外，与暴龙科、阿贝力龙科、鲨齿龙科不同，棘龙科的前肢很强壮发达，长着大型的指爪。