三叶虫是距今5.6亿年前的寒武纪就出现的最有代表性的远古动物，5亿～4.3亿年前发展到高峰，至2.4亿年前的二叠纪完全灭绝，前后在地球上生存了3.2亿多年，可见这是一类生命力极强的生物。在漫长的时间长河中，它们演化出繁多的种类，有的长达70厘米，有的只有2毫米。背甲为两条背沟纵向分为一个轴叶和两个肋叶，因此名为三叶虫。

1. 寒武纪代表性三叶虫（5.4亿~4.9亿年前） 多数三叶虫身体扁平。莱得利基虫目（Redlichiida)被认为是三叶虫的始祖。研究中有把球接子目（Agnostus)归入甲壳类的观点。
2. 奥陶纪代表性三叶虫（4.9亿~4.4亿年前） 形态多样，有的长着蜗牛一样的眼睛，有的身上长着好几根角，还出现了视野范围宽广的游泳型三叶虫。因为这时的海洋里它的天敌很少，所以奥陶纪成为“三叶虫大繁荣时代”。
3. 志留纪代表性三叶虫（4.4亿~4.2亿年前） 逃过了奥陶纪大灭绝的种类，它们在珊瑚礁附近大量繁殖。
4. 泥盆纪代表性三叶虫（4.2亿~3.6亿年前） 这一时代随着有下颚的鱼类出现，海洋环境发生了巨大的变化。很多三叶虫的身体上进化出了多种多样的装饰性部分，研究者认为这些装饰能提升三叶虫的防御功能和感觉机能。
5. 石炭纪/二叠纪代表性三叶虫（3.6亿~2.5亿年前） 寒武纪之后，三叶虫纲下的10个目都繁衍的相当兴盛。但是泥盆纪后期的大灭绝，使除了蚜头虫目（Proetus)之外的三叶虫全部灭绝。逃过劫难的蚜头虫目拥有流线型的身体，但身上没有刺和装饰。