三葉虫
体は前後に数多くの体節からなり、各体節に一対の付属肢(関節肢)が備わっていたと考えられている。背面の外骨格(背板 tergite)は、縦割りに中央部の軸部(axis)とそれを左右対となって挟む肋部(pleura)となっており、この縦割り三区分が三葉虫(trilobite)の名称の由来となっている。また、体節は前後に頭部(cephalon)・胸部(thorax)・尾部(pygidium)という3つの合体節にまとめられる。頭部と尾部は複数体節の融合でできてきた1枚の背板に覆われ、胸部は可動に分節した2節から60節以上の胸節(thoracic segment)で構成されている。付属肢(関節肢)は全てが体の下に覆われる。
軸部はアーチ状に盛り上がり、肋部は比較的平坦であるが、より派生的な系統では肋部の外側が腹側へと傾斜する傾向を持つ。このため、三葉虫が腹側へと丸まった時に胸節肋部の外側域が重なり合い、背板で生体部を覆うこととなる防御姿勢(enrollment)の構築が可能となり、一部の種ではほぼ球状に丸める。頭部には、通常複眼が左右に1対あるが、頭部に対する相対的なサイズはさまざまであり、目を退化消失した種もさまざまな系統で知られている。複眼のレンズは全身の外骨格と同じ方解石(カルサイト)という鉱物でできており、多数の個眼を持ち、その数は数百に及ぶ。ほとんどの種では正面と両側面の視覚が優れていたことが明らかにされている。口は頭部軸部の腹側にあり、より腹側にある石灰質のハイポストーマ(hypostome)という現生節足動物の上唇に類する構造で覆われたと考えられている。そのため、口は体の後方を向いていたと考えられている。
1970年代までは、三葉虫を節足動物の中で最も原始的な群とする見解が主流であった。しかし、それ以降に北アメリカのバージェス動物群、グリーンランドのシリウス・パセット動物群、および中国の澄江(チェンジャン)動物群の記載分類学・系統学的研究が活発に行われることで、節足動物の初期進化についての議論が活発化した。その流れの中で、三葉虫が節足動物のなかで最も原始的といった解釈は自然消滅的に支持されなくなっていった。
三葉虫はナラオイア、サペリオンなどとも共に三葉形類(Trilobitomorpha)をなし、これは更に光楯類やシドネイアなどと共にArtiopoda類という化石節足動物の大群をなしている。現生節足動物の4つの大きな区分である鋏角類・多足類・甲殻類・六脚類に並ぶ一群としての位置はほぼ認められているが、Artiopoda類とこれらの群の類縁関係については定説がない。古くは三葉虫から触角が退化して鋏角類が生じたとの説があり、光楯類がその中間型生物、鋏角類のうちカブトガニ類がその祖先形質を色濃く残したものという解釈もあったが、鋏角と触角の相同性が多方面な解析に証明される・光楯類は鋏角類的性質をもたないことが解明されるなど発展に連れて、認められなくなった。