。小型的6毫米以下 。從結構上可分為頭甲胸甲和尾甲三部分。三葉蟲體外包有一層外殼，堅硬的外殼為背殼及其向腹面延伸的腹部邊緣 。腹面的節肢為幾丁質，其他部分都被柔軟的薄膜所掩蓋。一般所采到的三葉蟲化石都是背殼。三葉蟲背殼的中間部分稱為軸部或中軸，左、右兩側稱為肋葉或肋部。三葉蟲殼面光滑。或有陷孔、瘤包、斑點、放射形線紋、同心圓線紋、短刺等。頭部多數被兩條背溝縱分為三葉，中間隆起的部分為頭鞍及頸環^[1]，兩側為頰部，眼位于頰部。頰部為面線所穿過，兩面線之間的內側部分統稱為頭蓋，兩側部分稱為活動頰或自由頰。胸部由若干胸節組成 ，形狀不一，成蟲2～40節 。中間部分為中軸，兩側稱為肋部。每個肋節上具肋溝，兩肋節間為間肋溝。尾部是由若干體 節互相融合而形成的 ，1～30節以上不等。形狀一般半圓形，但變化很大，可分為一中軸和兩肋部。肋部分節，有肋溝和間肋溝。肋部可具邊緣 ，邊緣上亦常有邊緣刺。

三葉蟲腹面的節肢極少保存為化石，迄今為止全世界已發現節肢化石的只有19個種。從奧陶紀到泥盆紀末的一些三葉蟲（比如裂肋三葉蟲目）進化出了非常巧妙的脊椎似的結構。在摩洛哥就發現了這樣的化石。此外在俄羅斯西部、美國俄克拉何馬州以及加拿大安大略省也有帶脊椎結構的化石被發現。這種脊椎結構可能是對于魚的出現的一種抵抗反應。

多數三葉蟲有眼睛，它們還有可能用來作味覺和嗅覺器官的觸角，觸須可達20至30厘米。三葉蟲^[1]的眼睛是 由方解石（碳酸鈣，CaCO?）組成的。結晶良好的純凈方解石（冰洲石）是透明的，有些三葉蟲使用單晶的、透明的方解石來組成其每只眼睛的透鏡。這與大多數其它節肢動物不同，球差，同時提供極好的視覺效果。

典型的三葉蟲眼睛是復眼，每個透鏡為一個拉長的棱鏡。