Un leu are 38 de cromozomi care sunt grupați în 19 perechi. Cincisprezece dintre aceste perechi sunt comune în toate speciile de pisici.
Leul este clasificat sub regiunea animalia, trifoiul chordata, mammalia de clasă, carnivora ordinară, felidae familiale și speciile panthera leo. Cele două subspecii de panthera leo sunt cunoscute în mod obișnuit ca leul african și leul asiatic, cu doar distincții genetice minore între cele două.
Datorită diversității relativ recente a multor specii, care au avut loc doar cu 10-15 milioane de ani în urmă, oamenii de știință au întâmpinat dificultăți în determinarea procesului evolutiv al felidelor sau a familiei de pisici. Cariotipul familiei, care se referă la apariția și numărul de cromozomi din nucleul celulei, a fost reținut pe tot parcursul dezvoltării filogenetice a familiei. Cu toate acestea, s-au descoperit șase haplotipuri unice sau variații ADN moștenite pe același cromozom într-un studiu filogenetic efectuat în 2005. Aceste polimorfisme au condus la formarea a două lame, un grup de lei care se deplasează în savanele orientale și un alt grup care locuiesc savanele occidentale. Există cel puțin două alte grupuri, care sunt distribuite în regiunile din sud-vest și în Nisipurile Sabi.
Cele mai apropiate rude ale leilor sunt tigrii, care conțin același număr de cromozomi ca și lei. În captivitate, cele două pisici mari sunt adesea interbrate pentru a produce tigoane și ligeri. Tatăl unui tigon este un tigru, în timp ce tatăl unui liger este un leu. Acești hibrizi sunt cunoscuți a fi fertili.
