在动物分类学上，三叶虫被归类为节肢动物门、三叶虫纲。这些生物曾在古生代的海洋中广泛存在，尤其是在寒武纪时期达到繁盛的顶峰。随后，它们从盛极而衰，最终在二叠纪末期灭绝，未能进入中生代。三叶虫在古生代长达3亿多年的时间里繁衍生息，产生了众多类群和大量的个体，已知有超过1500个属和1万多个种，其中在我国发现的大约有500个属。三叶虫的体型通常为卵圆形或椭圆形，大小差异显著。例如，发现于葡萄牙奥陶纪地层中的乌拉裂肋虫是三叶虫中体型较大的种类之一，最大可达70厘米。而古盘虫、球接子等微小种类仅有不到6毫米。常见的三叶虫大小一般在3到10厘米之间，宽度在1到3厘米，超过20厘米的则被视为大型。在我国昆明寒武纪早期地层中，曾发现过长度达30厘米的莱得利基虫。尽管三叶虫生存的年代久远，科学家对其形态和构造的了解却相当充分，主要原因包括：首先，三叶虫身体覆盖着坚硬的甲壳，在成长过程中会多次蜕壳，因此在地层中留下了丰富的化石；其次，在寒武纪海洋中，没有比三叶虫更大或更凶猛的动物与其共存，这使得它们能够迅速繁殖和广泛分布；此外，三叶虫化石通常保存在细腻的石灰岩或页岩中，因此不仅外壳特征清晰可见，有时内部构造也能观察到。

三叶虫的主要特征是它的背壳构造，头部中央有一个作为脑部位置的“头鞍”，其表面可能光滑、有瘤斑或横沟。头鞍两侧通常有成对的眼睛，眼睛前后有面线，是三叶虫蜕壳时穿出的通道。头部腹面前端有一对触须，既用于行动也作为感觉器官。触须后是口部，通常由唇瓣覆盖。口两侧有许多细小的附肢，用于行动和呼吸，附肢上长有纤毛。三叶虫的胸部分节，有的达十几节，有的仅两节，节间以覆瓦状方式相连，便于卷曲活动。腹面两侧有许多分节的附肢，也用于行动和呼吸。尾部分为中轴和两侧的肋叶，形态多样，边缘有的带刺，有的不带刺。

自寒武纪早期出现以来，三叶虫的主要构造特点在演化中发生了变化，这些变化包括：头鞍形态的变化、面线后支位置的变化、眼睛的变化、身体周围长刺的变化以及胸节和尾部的变化等。例如，头鞍从长圆锥形变为圆柱形或球形，面线后支的终点位置改变，眼睛可能从新月形变为小点或发展成眼柄上的大眼睛，身体长刺的复杂性增加，以及胸节和尾部的数量和大小变化等。这些趋势在许多三叶虫类型中都有体现。