三叶虫生活时期为寒武纪到二叠纪（距今约2.99亿-2.52亿年前）。寒武纪最盛，自志留纪（距今约4.43亿-4.19亿年前）开始衰落，而二叠纪末的大灭绝事件则加速了它们的灭绝。绝大部分三叶虫在温暖的浅海地带过着底栖生活，三叶虫是一类已经灭绝的海洋节肢动物，已报道过约5000个属，尽管有不少属是同物异名，不过这并不影响三叶虫的大家族地位。
三叶虫的身体分背、腹两面，背面披有矿化的背甲，腹部主要为柔软的腹膜和两排细长的附肢。三叶虫的背甲由前向后分为头甲、胸甲和尾甲三部分；背甲又被两条纵沟即背沟纵分为三个部分。由于背甲的三分性非常明显，就像三片并排排列的叶子，故有“三叶虫”之名。三叶虫成虫一般长3-10厘米，极少数身体巨大的，身长可达约90厘米，但小的如球接子（三叶虫的一种），一般长度在6毫米以下。经过200多年的研究，古生物学家们对它们的生长特征、生活方式等已有了比较详细的了解。
三叶虫雌雄异体，卵生，不过卵、卵孵化以后到初次形成坚硬背甲前这两个阶段至今仍未发现有化石保存。和其他节肢动物一样，三叶虫的外骨骼——背甲限制了其生长，当它们的身体长大时，就必须抛弃旧外骨骼，另外再分泌一个新的来包裹较大的身体。三叶虫要经过多次蜕壳才能长大，每蜕一次壳，都会形成一个较大的新背甲。绝大部分三叶虫在温暖的浅海地带过着底栖生活，以其扁平的身体贴伏在海底缓慢爬行，只有少数有流线型体型的三叶虫可以在水中浮游或游泳。由于行动迟缓，又没有螯肢或颚器等攻击武器，三叶虫只能以各种“装备”自卫：发育矿化的背甲，抵御攻击能力增强的捕食者；寒武纪（距今5.41亿-4.85亿年前）的三叶虫大多平卧在海底，脆弱的腹部紧贴海底以免受敌，从奥陶纪（距今约4.85亿-4.43亿年前）开始，许多三叶虫背部发育的灵活关节能卷曲，保护腹部，有些种类甚至头部有突起，尾部有孔，可以扣成“球”。