Selon des études paléontologiques et génétiques, les ancêtres du genre Lynx ont divergé il y a six millions d'années dans certaines régions d'Amérique du Nord, pour ensuite se répandre dans toute l'Eurasie. La situation phylogénétique des quatre espèces du genre n'est pas tout à fait claire, l'une des hypothèses les plus acceptées étant celle qui postule que leur ancêtre serait l'espèce éteinte appelée lynx d’Issoire (Lynx issodorensis), découverte pour la première fois en Chine. Lynx rufus se serait séparé très tôt de la racine du groupe alors que les trois autres espèces sont apparues il y a 1,6 million d'années. Le félin du pliocène Felis rexroadensis d'Amérique du Nord a été proposé comme ancêtre encore plus ancien. Cependant, il était plus grand que n'importe quelle espèce vivante et n'est actuellement pas classé comme un vrai lynx.
Le nombre d'espèces de lynx a beaucoup varié, du fait de la grande fluctuation morphologique, tant au niveau de la taille que de la couleur, des différents individus. Pocock et Balestri ont proposé jusqu’à sept espèces. Dans les années 1980, on comptait uniquement deux espèces : le Lynx boréal et le Lynx roux. Un autre modèle à deux espèces a existé qui admettait uniquement le lynx commun et le lynx pardelle. Au sein de l’ensemble des différents modèles à deux espèces, la seule variation était l’aire de distribution du lynx commun qui tour à tour englobait celle du lynx du Canada ou du lynx pardelle. Les espèces actuelles devenaient alors des sous-espèces du lynx commun : Lynx lynx canadensis et Lynx lynx pardinus.
La classification des lynx a fait longtemps l’objet d’un débat. La question portait sur le fait de savoir si les lynx devaient être classés dans un genre propre ou tout simplement être un sous-genre Felis. Jusqu'aux années 1980, presque tous les félins étaient inclus dans le genre Felis, excepté les grands félins du genre Panthera et le guépard du genre Acinonyx. La taxonomie actuelle admet à présent que les lynx appartiennent à leur propre genre, mais les synonymes Felis lynx, Felis rufus ou encore Felis pardinus subsistent dans la littérature.
Le caracal, du fait de similitude morphologique (tête, denture, queue) a longtemps été classé dans le genre Lynx. L’absence totale de taches, puis, plus tard, les analyses génétiques, l’ont écarté du genre Lynx vers son propre genre Caracal. Le manul (Otocolobus manul) a lui aussi temporairement fait partie du genre Lynx.