三叶虫灭绝的具体原因不明，但是志留纪和泥盆纪时期两腭强大、互相之间由关节连接的鲨鱼和其它早期鱼类的出现与同时出现的三叶虫数量的减少似乎有关。三叶虫为这些新动物可能提供了丰富的食物。
此外到二叠纪后期时三叶虫的数量和种类已经相当少了，这无疑为它们在二叠纪--三叠纪灭绝事件中灭绝提供了条件。此前的奥陶纪--志留纪灭绝事件虽然没有后来的二叠纪--三叠纪灭绝事件那么严重，但是也已经大大地减少了三叶虫的多样性。
各期代表：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。莱得利基虫目被认为是三叶虫的始祖。研究中有把球接子目归入甲壳类的观点。
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”。
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。
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。
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。
在远古海洋中三叶虫的生活环境从浅海到深海非常广。偶尔三叶虫在海底爬行时留下的足迹也被化石化了。几乎在所有今天的大陆上均有三叶虫的化石被发现，它们似乎在所有远古海洋中均有生存。
今天在全世界发现的三叶虫化石可以分上万种，由于三叶虫的发展非常快，因此它们非常适合被用作标准化石。在英属哥伦比亚、纽约州、中国、德国和其它一些地方发现过非常稀有的、带有软的身体部位如足、鳃和触角的三叶虫化石。
三叶虫出现后，在整个早古生代（包括寒武纪、奥陶纪和志留纪）都可作为众多生物的代表，他们和许多其它生物一起共同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才真正出现。晚古生代时三叶虫数量随着门类众多的海相无脊椎动物的大量涌现而减少，中生代到来时终于绝灭。
生命力顽强的三叶虫虽然绝灭了，但他们以化石的形式再次面世，也是对这个世界的又一贡献吧。
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