Диметродоны питались любыми животными, которых могли одолеть. Интересно, что в условиях примерно равного соотношения биомассы хищников и растительноядных (характерного для раннепермских фаун), основу питания в отдельные периоды могла составлять рыба. В 2008 году команда Р. Бэккера обнаружила четкие признаки того, что диметродоны поедали пресноводных акул - ксенакантид. Возможно, акулы оставались в пересыхающих прудах, где становились жертвой пеликозавров.