Chúng là thành viên còn lại của họ Castoridae gồm có một chi duy nhất là Castor. Nghiên cứu di truyền học cho thấy hải ly Bắc Mỹ và hải ly châu Âu là hai loài khác biệt và việc lai giống giữa chúng là không thể. Hải ly có quan hệ gần với sóc (Sciuridae), giống nhau ở một số đặc tính kì dị về hình thể như xương sọ và xương hàm dưới. Ở sóc, hai xương chính (xương chày và xương mác) của phần nửa dưới của chân là tách rời, đuôi tròn và có nhiều lông, thích sống trên cây và trên cạn. Ở hải ly, các xương nói trên nằm gần sát nhau ở phần dưới, đuôi dẹp, rộng bản và có vảy, thích sống dưới nước.