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本门物种在支序[[生物学]]的位置过往也问题多多。最初被归类为环节动物门，尽管这些物种完全没有环节、刚毛（bristles）或其他环节动物的特征。 后来本门跟[[软体动物]]门连系，主要是基于其发育与幼体的特征。 现时这两个门跟纽形动物门及其他兄弟分类元共同组成冠轮动物总门 （Lophotrochozoa）。种系发生学研究基于79核糖体蛋白质（ribosomal protein）认为星虫动物门是[[环节动物]]门之下的成员，其后对其物种的线粒体的DNA分析，确认了本分类跟吸口虫纲（Myzostomida）及环节动物门（包括螠虫目及须腕科）的亲密关系。另外，有证据显示星虫动物在早期幼虫阶段时，其基本神经分割（rudimentary neural segmentation）跟其他环节动物很相似，尽管这些特征在它们成长后都消失了。