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El Thylacosmilus fue un mamífero carnívoro, pero a diferencia del tigre dientes de sable, el Thylacosmilus era un metatherio no un mamífero placentario, lo que hace que un ancestro común entre ambos se remonte a la época de los dinosaurios. Se considera que el orden Sparassodonta al cual pertenece tanto el Thylacosmilus como el Borhyaena son parte de la subclase methateria aunque emparentados más cercanamente con los marsupiales.

El Thylacosmilus, el Borhyaena y otros carnívoros methaterios que existieron en Sudamérica durante el Mioceno hasta el Pleistoceno temprano, configuran un caso de Evolución Convergente en donde organismos alejados genéticamente, cronológica o geográficamente desarrollan características similares para ocupar un nicho ecológico. Es el caso de los pterodáctilos, reptiles voladores de la época de los dinosaurios, las aves voladoras y los murciélagos; todos desarrollaron la capacidad de volar, pero lo lograron independientemente sin estar emparentados entre sí.

En el caso del Thylacosmilus de Sudamérica, este llenó el nicho que en América del Norte ocuparía la familia Machairodontinae que incluyó tigres y gatos dientes de sable. En Sudamérica convertida en isla durante el Cenozoico, el Thylacosmilus probablemente se alimentó de otros mamíferos marsupiales y de mamíferos placentarios como los perezosos y los extintos Macrauchenia y Toxodontes. Pero más tarde, buena parte de la diversa fauna sudamericana, incluyendo al Thylacosmilus, llegó a su fin cuando Las américas se unieron geológicamente en el istmo de Panamá, provocando el Gran Intercambio Americano evento en el cual mucha especies se extinguieron y otras se extendieron hacia Norteamérica y viceversa.