Descubiertos por primera vez en 1950, originalmente se pensó que eran fósiles gigantes del estrechamente relacionado Brachauchenius lucasi.Pero en 2013, los paleontólogos entendieron que esos fósiles pertenecían a un animal distinto.A diferencia de los pliosáuridos como Liopleurodon o Pliosaurus, los dientes superiores en Megacephalosaurus no se reducen de tamaño hacia la base del cráneo y son todos consistentemente grandes.Solo los cinco pares frontales son relativamente grandes, todos los dientes posteriores se vuelven progresivamente más pequeños a medida que avanzan hacia la base del dentario en una transición suave.[5] Las costillas son similares en forma general a las de los pliosáuridos jurásicos típicos.Esta es una característica completamente única entre los pliosáuridos del Cretácico, de la que carecen todos menos Megacephalosaurus.Algunas costillas de dos cabezas han estado presentes en algunos pliosáuridos jurásicos y anteriormente se pensaba que esta característica desaparecía con su extinción.El cráneo se encontró con la parte inferior hacia arriba y completamente aplastado en una capa delgada.[2] Aunque se recuperaron fósiles asociados adicionales del espécimen durante su excavación, Sternberg tenía el cráneo y la mandíbula inferior izquierda incrustados en un soporte de yeso y lo exhibió en las exhibiciones públicas del museo en 1951.[2] La identificación del supuesto cráneo de Brachauchenuis lucasi (FHSM VP-321) fue incuestionable durante décadas.Fue nombrado Megacephalosaurus eulerti, siendo el nombre genérico un acrónimo del griego antiguo μέγας (mégas, "grande") y κεφαλή (kephalḗ, "cabeza") prefijado en σαῦρος (saûros, "lagarto") en referencia al tamaño del cráneo, y el epíteto específico es un honor a Eulert por su donación del fósil.[2] La historia del cráneo paratipo UNSM 50136 no estaba clara cuando Schumacher lo examinó por primera vez en un estudio de 2008.[1][3] Schumacher concluyó que USNM 50136 era una especie con afinidades a B. lucasi y que podría ampliar la definición del taxón o ser de una especie completamente nueva, asignando la nomenclatura abierta aff.[3] Los fósiles adicionales actualmente identificados como B. lucasi en realidad pueden pertenecer a Megacephalosaurus.[6] Megacephalosaurus es un miembro de la subfamilia Brachaucheninae, que consiste en pliosáuridos conocidos del período Cretácico.Sin embargo, estos patrones pueden deberse a grandes lagunas en el registro fósil, particularmente a la ausencia de fósiles de pliosáuridos durante muchas etapas del Cretácico Inferior.Descubrimientos recientes de dientes de pliosáurido del Cretácico inferior que exhiben características dentales distintas ahora desafían la hipótesis y, alternativamente, sugieren que al menos un linaje más cruzó la división Jurásico-Cretácico.Algunas características que comparten la mayoría de los bracauqueninos como Megacephalosaurus incluyen características del cráneo (como un hocico alargado, una tribuna grácil y dientes de tamaño uniforme) que se adaptan mejor para un cambio evolutivo general hacia presas más pequeñas.[8] En 2013, Benson dirigió otro estudio que intentó otro análisis filogenético utilizando una mejor descripción de FHSM VP-321 realizada por Schumacher et al.[4] Habitaba en la vía marítima interior occidental que se extendía por el centro de América del Norte y la dividió en dos durante el Turoniano del Cretácico tardío.[2] El pliosáurido estuvo presente durante el evento fronterizo Cenomaniano-Turoniano, un período marcado con importantes pérdidas de volumen de fauna en todo el mundo y extinciones causadas por un aumento anormalmente intenso del vulcanismo submarino, que marcó el comienzo de un evento anóxico global que acidificó los océanos, aumentó las temperaturas globales y causó una extinción masiva que provocó la desaparición del 26% de toda la fauna marina.[1][2] En este punto, solo quedaban tres taxones de pliosáurido conocidos: él mismo, Brachauchenius y Polyptychodon.