三叶虫的形状大多为卵圆形或椭圆形，个体大小相差却很悬殊。发现于葡萄牙奥陶纪地层中的乌拉裂肋虫是最大的三叶虫之一，长达70厘米。而古盘虫、球接子之类的微小三叶虫却只有不到6毫米。常见的三叶虫一般长度都在3到10厘米，宽度在1到3厘米。超过20厘米的就算大型的了。在我国昆明寒武纪早期地层中曾经发现过长度为30厘米的莱得利基虫。
三叶虫生活的年代距今虽然遥远，但是科学家对它的形态、构造等特征的了解是相当充分的，主要的原因有以下几点:首先，三叶虫身体表面披有坚固的甲壳，在个体发育过程中经历多次脱壳生长，所以它们在地层中遗留下的化石数量比其他生物要多;其次，寒武纪海洋中很少有比三叶虫更大、更凶暴的动物和它生活在一起，因此它们能够迅速繁衍，广泛分布;此外，三叶虫化石大多保存在质地细致的石灰岩或页岩中，因此，不仅外壳的特征能够被观察得很清楚，而且有时其内部构造也能被看得很清晰。
三叶虫的主要特征表现在它的背壳构造，其头部中央有一个突起的"头鞍"，可能是安置脑的处所。头鞍的表面有的光滑无饰，有的瘤斑点缀，还有的具有为数不等的横沟。这些横沟被称为"头鞍沟"。头鞍两侧，一般有成对的眼睛。沿眼睛的前后有一条沟，称为"面线"，这是三叶虫成长过程中借以脱壳钻出身体的地方。头部腹面的前端有一对分节的触须，既是行动器官，又是感觉器官。触须的后面是摄食的口，通常盖着"唇瓣"。口两侧有许多细小而分节的行动器官--附肢，附肢上有细密的纤毛，大概可以起到呼吸的作用。
三叶虫的胸部分节，多者达十几节，少者只分两节。各节之间以覆瓦状(即像房顶的瓦片一样一片覆叠在另一片的上面)关联起来，便于卷曲活动。三叶虫腹面两侧有为数众多的分节附肢，附肢上具有纤毛，因此这些附肢也兼负行动和呼吸之用。三叶虫的尾部和胸部一样，纵向上分为中轴及其两侧的肋叶部，其形态多样;尾部的边缘有的带刺，有的不带刺。
三叶虫自从在寒武纪早期出现以后，在整个系统演化中各部主要构造特点也逐渐发生相应的变化，这些变化规律主要有下列几方面:
1、头鞍形态的变化:寒武纪早期的原始三叶虫的头鞍形态多为长圆锥形，凸起也不显着。往后到了寒武纪中期以后，头鞍逐渐缩短，两侧趋向平行，成为圆柱形，甚至有的成为了球形。到了寒武纪晚期及以后的三叶虫，甚至头鞍与其两侧的颊部分界也不清楚了。
2、面线后支所在位置的变化:早期三叶虫的面线后支(即眼睛之后的那段面线)终点常与头部的后边缘或两颊角相交;往后到了奥陶纪以后的类型，则常与头部的两旁侧缘上相交。
3、眼的变化:某些三叶虫的眼睛。早期是新月形的，随后逐渐变小，最后消失。另一类复眼比较发达的三叶虫，眼睛则由小变大，最后会出现眼柄，眼睛则长在高高耸起的眼柄顶端上。志留纪的许多三叶虫就属于这一类。
4、身体周围长刺的变化:寒武纪和奥陶纪的三叶虫很少长刺，而志留纪及其以后的类型长刺较为多见，而且刺比以前的也更加复杂。
5、胸节由多变少，尾部由小变大，头鞍上的横沟由多到少等等趋势也在许多类型的三叶虫中显示出来。
三叶虫是节肢动物的一种，全身明显分为头、胸、尾三部分，背甲坚硬，被两条纵向深沟割裂成大致相等的三片，所以叫做三叶虫。
最早描述的三叶虫化石在英国，当时误以为是一种比目鱼化石。在十九世纪国外对三叶虫 三叶虫的研究已经比较透彻，中国的三叶虫最早由许多国外专家和探险家进行命名和报道，民国时期的卢衍豪教授对中国三叶虫的研究做了重要的起步工作。新中国建立后，国家开始系统研究中国的三叶虫。有《中国的三叶虫》等书出版 。吉林大学博物馆馆长昝淑芹教授对辽宁东部地区(辽东半岛和太子河流域)寒武纪的三叶虫动物群进行过系统研究。记述了该区寒武纪地层中的四十一个科或亚科，一百零一个属或亚属，一百八十九个种的三叶虫化石，其中有新属五个，新种57个。发表了专着《辽宁东部寒武纪地层及三叶虫动物群》等一系列的研究成果。今天在全世界发现的三叶虫化石可以分为上万种，由于三叶虫的发展非常快，因此它们非常适合被用做标准化石，地质学家可以使用它们来确定含有三叶虫的石头的年代。三叶虫是最早的、获得广泛吸引力的化石，至今为止每年还有新的物种被发现。但是由于我国三叶虫分类起步晚，当前我国三叶虫分类研究方面仍很混乱。
三叶虫还是中国一种"贡茶"的名称--三叶虫茶，城步民间简称虫茶，也可以做茶叶蛋。
许多三叶虫有眼睛，它们还有可能用来作味觉和嗅觉器官的触角。有些三叶虫是瞎的，可能它们居住在非常深的海底，那里没有光，因此用不着眼睛。有些(比如蛙形镜眼虫Phacops rana)有很大的眼睛。
三叶虫的眼睛是由方解石(碳酸钙，CaCO?)组成的。纯的方解石是透明的，有些三叶虫使用单晶的、透明的方解石来组成其每只眼睛的透镜。这与大多数其他节肢动物不同，球差，同时提供极好的景深。在今天生存的动物中蛇尾海星Ophioa wendtii使用类似的透镜。
典型的三叶虫眼睛是复眼，每个透镜都是一个一般排列为六边形的拉长的棱镜。每只复眼内的透镜数不等，有些只有一个，有些可达上千。】
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