三叶虫的头部覆盖着坚硬的甲壳，称为头甲，这是鉴定三叶虫分类和种属的重要依据。头甲上中央有一介突起的安置脑的处所，称为头鞍。
三叶虫头鞍的形状和大小在历史演化中逐渐发生着相应地变化。寒武纪早期的原始三叶虫，其头鞍一般呈长圆锥形，突起并不明显。寒武纪中期以后的三叶虫，其头鞍开始缩短，头鞍两侧的颊部逐渐趋向平行，头鞍一般呈圆柱形，个别的三叶虫头鞍甚至变成了球形。寒武纪末期及以后的三叶虫，其头鞍已经不再明显突起，与头甲融为了一体。
有的三叶虫头鞍十分圆润光滑，有的三叶虫头鞍上长着瘤斑，还有的三叶虫头鞍上长着具横沟，称为“头鞍沟”。
三叶虫头鞍前部是头盖，上面生长着眼脊、眼叶和眼睛，三叶虫的眼睛在历史演化中也在发生着变化。早期三叶虫的眼睛是新月形的，后来逐渐变小，最后消失。还有一类生长着复眼的三叶虫，眼睛则由小变大，最后生长出眼柄，志留纪时期的许多三叶虫就属于这一类。
三叶虫眼睛的前后有一条沟，称为面线。三叶虫随着身体的生长逐渐变大，面线是三叶虫用来脱壳钻出去的地方。三叶虫的面线也在发生着变化，早期三叶虫的面线后支终点常与头部的后边缘或两颊角相交，而奥陶纪以后的三叶虫，其面线后支终点则与头部两旁的侧缘相交。
三叶虫头部两侧具有活动颊，颊上生长着尖锐的刺。
头部腹面的前端生长着触须，感觉器官。触须的后面是三叶虫的唇瓣，也就是用来摄食的口。口两侧生长着为数众多的分节附肢，附肢上生长着细密的纤毛，可以起到行动和呼吸的作用。
三叶虫的胸部由许多形状相似的胸节构成，胸节多者达十几节，少者只有两节。各个胸节之间以覆瓦状衔接起来，与绝大多数节肢动物的体节一样，具有自由弯曲或伸展的活动功能。
三叶虫的尾部和胸部一样，是由若干体节融合而成的。三叶虫的尾一般都是半圆形，尾部边缘有的带刺，有的不带刺。如寒武纪和奥陶纪的三叶虫一般都没有尾刺而志留纪及其以后三叶虫一般都长着长长的尾刺，这些刺可以自由伸展、放射，让三叶虫变得很美丽。
三叶虫的背部一般是坚硬而光滑的，但有些种类的三叶虫，其背部生长着许多小瘤，这些小瘤与颊刺、尾刺连在一起，成为一套防护“盔甲”。可见，在当时的海洋中即使有比三叶虫强悍的动物，也不敢轻易冒犯它们。
说完三叶虫的身体结构，再来说一下三叶虫的生长发育过程。古生物学家认为，三叶虫具有复杂的发育阶段。
三叶虫属于卵生、雌雄异体动物。它们从诞生开始，要经过多次的蜕壳才能成熟，地球上现存的许多节肢动物都继承了三叶虫的发育方式。
三叶虫要经历幼年期、分节期和成虫期三个月阶段。
幼年期的三叶虫身体特别小，直径约为0．24毫米～1．3毫米，一般呈圆球状，身体上的突起部位很明显，头部与尾部尚不分明，也没有胸节。
分节期的三叶虫头部和尾部已经分开，胸节开始发育。随着三叶虫不断生长和蜕壳，身体上的胸节、刺、瘤和尾甲的分节数就会增加，当胸节全部长成后就进入了成年期。
成熟后的三叶虫，就完全可以在海洋中自由自在地生活了。
迄今为止，科学家尚未在陆地层中发现三叶虫化石，这说明三叶虫只生活在海洋中，这种动物确实只生存在海洋里。
寒武纪的海洋霸主
为什么三叶虫会在寒武纪时期繁盛发展呢？科学家们通过对古生态学的研究，得出了以下结论。
寒武纪初期，当时的海洋条件适合很多物种生存，一些小壳动物群已经出现，如软舌螺、腹足类、单板类、喙壳类和一批低等软体动物，此外，珊瑚、腕足动物、头足动物也出现了。这些动物给三叶虫带来了丰富的食源，因此三叶虫得以迅速繁殖。
虽然三叶虫没有主动攻击的能力，没有良好的游泳器官，也没有得以迅速移动的流线形体形，但是它们坚固的背甲具有良好的防御功能，一旦有凶猛的动物向它们发动攻击，它们就可以像穿山甲一样把身体蜷起来，悄悄沉入海底，化险为夷。
三叶虫还具有很好的适应环境的生存方式，它们有的在水面上漂浮，有的在海底爬行，有的钻入泥沙中。这利多样的生活模式，使得三叶虫占据了不同的生态空间，因此它们迅速繁衍，横行霸道，寒武纪的海洋成了它们的世界。
寒武纪时期的三叶虫及其同时代生物，一起揭开了地球走进生物多样化的序幕。从此，一个欣欣向荣的生物世界打破了地球原有的寂静与荒凉。
寒武纪以后的地质时代，三叶虫与其他无脊椎动物又共同生存了很长时间，直至两叠纪时才灭绝。
在此期间，三叶虫为了适应不同的环境，又进化出了许多不同的类型。比如志留纪中期的三叶虫，其整个身体都被浓密的长刺所包裹，这些长刺既是帮助三叶虫快速游泳的强力推进器，又是保护三叶虫抵御天敌的有效武器。奥陶纪时期的某些三叶虫还具有了卷曲的能力，它们的头部和尾部可以衔接在一起，仅将背部的硬壳裸露在外面，这样一方面便于御敌，另一方面可以以伸曲的方式推动身体移动。
三叶虫的进化完全是环境所迫，因为很多高等的海洋生物，如鹦鹉螺类、板足鲎类和鱼类迅速崛起，它们都是三叶虫的劲敌，如果三叶虫不及时进化，是很难在那种竞争激烈的环境中生存下去的。
然而，曾经在海洋中称霸一时的三叶虫，未能得到上天的眷顾，它们受到了迅速崛起的新生物的严重威胁，最终在两叠纪时退出了历史舞台。
寒武纪的常见生物
前面提到过，寒武纪是一个生命大爆发的时代，下面就来看一看除三叶虫之外的其他生物。
距今约5．3亿年前的海洋中，奇虾是最凶猛的捕食者。
它的头部生长着一对带柄的巨眼，头前有一对分节的巨型前肢，用来快速捕捉食物，尾部长着美丽的大尾扇和一对长长的尾叉。它的口直径达25厘米，口中长着环状排列的外齿，对海洋中的其他动物构成了巨大威胁。奇虾不善于行走，但它能快速游泳，它的个体最大可达2米，而当时其他动物的平均长度只有几厘米或几毫米。由此可见，奇虾确实是一种攻击能力很强的动物。
距今5．7亿～5。15亿年前，古杯是一种很常见的低等多细胞海生动物。古杯在形态上类似珊瑚，但具有精致、规则的多孔系统，很容易与珊瑚区分。在生活方式上，古杯分为单体和群体两种。单体的古杯多呈杯状、锥状、圆柱状和盘状等；群体的古杯多呈树丛状和链状等。古杯演化快，分布广，除南美洲外遍及全球各大洲，在古生态、沉积环境和寒武系与前寒武系界线地层研究中发挥着重要作用。
除奇虾和古杯外，寒武纪海洋中常见的生物还有以下几种：
埃谢栉蚕，其化石产地为加拿大西部，生活于距今5．36亿～5．1亿年前，体长2厘米～2．5厘米，是一种多刺动物，生长着毛一样的腿，通常以海绵生物为食。
哈氏虫，其化石产地为格陵兰，生活于距今5．7亿～5．36亿年前，体长约6．25厘米，是一种像蛞蝓一样的动物，体表覆盖着许多鳞状物。
小软舌螺，其化石产地为欧洲，生活于距今5．8亿～5．18亿年前，体长约0．25厘米，是软体动物的早期成员。
科氏惊异虫，其化石产地为捷克共和国，生活于距今5．7亿～5．36亿年前，体长约15厘米，是迄今所发现的节肢动物中最古老的成员。
地衣壳形虫，其化石产地为欧洲、北非和美国，生活于距今5．36亿～5．18亿年前，体长5厘米，是一类已经灭绝的类似海百合的原始动物。
微网虫，其化石产地为加拿大和中国，生活于距今5．36亿～5．18亿年前，体长约7．5厘米，是一种有足的蠕虫状动物。
皮卡虫，其化石产地为加拿大西部，生活于距今约5．3亿年前，体长约5厘米，是一种背上生长着类似脊椎物质的动物，它可能是包括人类在内的所有脊椎动物的祖先。
多须虫，其化石产地为加拿大西部，生活于距今5．36亿～5．16亿年前，体长约10厘米，是一种头扁、体宽、有桨状鳃的动物，可能是鲎、蜘蛛和螨的祖先。
关于寒武纪时期的动物进化史就说到这里。寒武纪作为地球历史上影响重大的地质时期，拉开了生命大量繁衍的序幕，打开了藻类和无脊椎生物的世界。