Pozycja filogenetyczna rodzaju Nyctosaurus jest niepewna – mógł być blisko spokrewniony z pteranodonem, na co wskazują dwie apomorfie: bezzębność oraz wydłużenie kości śródręcza wchodzącej w skład skrzydła (ponadpółtorakrotnie dłuższej od kości łokciowej), lub być bardziej bazalnym pterodaktylem. Jego najbliższym krewnym mógł być Muzquizopteryx, wraz z którym bywa zaliczany do odrębnej rodziny Nyctosauridae, a nie Pteranodontidae.
Skamieniałości pterozaurów z rodzaju Nyctosaurus odnaleziono na środkowym zachodzie Stanów Zjednoczonych, w górnokredowych osadach formacji Niobrara w stanie Kansas. W późnej kredzie na tych terenach znajdowało się epikontynentalne Morze Środkowego Zachodu, z fauną obejmującą rekiny i ryby kostnoszkieletowe, morskie gady, takie jak plezjozaury i mozazaury, a także ptaki – niewielkie formy latające oraz nielotne ptaki nurkujące. Pospolicie występowały tam także spokrewnione z Nyctosaurus pteranodony. Skamieniałe zawartości żołądków przedstawicieli obu tych rodzajów dowodzą, że żywiły się one rybami