Die taxonomische Geschichte von Ornithomimus gehört zu den verwirrendsten der Dinosaurierforschung. Marsh (1890, Am. J. Sci. Ser. 3, 39: 81–86) benannte gleichzeitig drei Arten: O. velox (Typusart), O. tenuis und O. grandis – wobei sich die letzten beiden später als Tyrannosauriden herausstellten. Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden über 17 Arten in die Gattung gestellt, die meisten wurden inzwischen anderen Gattungen zugeordnet (Struthiomimus, Dromiceiomimus, Gallimimus u. a.). Ornithomimus fungierte lange als taxonomischer „Papierkorb" (Wastebasket-Taxon) für schlecht diagnostizierbares Ornithomimiden-Material.
Heute sind nur zwei Arten allgemein anerkannt: O. velox (Denver Formation, Colorado, spätes Maastrichtium) und O. edmontonicus (Horseshoe Canyon Formation, Alberta, frühes Maastrichtium). O. velox basiert jedoch nur auf einem partiellen Fuß und einer Hand – erst Claessens & Loewen (2016) lieferten eine moderne Neubeschreibung mit diagnostischen Metacarpal-Proportionen. Die 2004 von Makovicky, Kobayashi & Currie vorgenommene Synonymisierung von Dromiceiomimus mit O. edmontonicus ist die aktuell vorherrschende Position, wird aber von Macdonald & Currie (2018, Can. J. Earth Sci. 56: 129–157) auf Basis signifikanter Unterschiede im Femur/Tibia-Verhältnis angefochten. Diese Debatte ist nicht abgeschlossen.
2025 beschrieben Serrano-Brañas et al. (Cret. Res. 168: 106087) mit Mexidracon longimanus einen neuen Ornithomimiden aus Mexiko – auffällig durch extrem verlängerte Metacarpalia. Dieser Fund unterstreicht, dass die Diversität der Ornithomimiden in Nordamerika noch nicht vollständig erfasst ist. Auch das Material aus der Dinosaur Park Formation, das traditionell O. edmontonicus zugeordnet wird, könnte einer eigenen, noch unbeschriebenen Art angehören.