Ductina vietnamica，产于中国，泥盆纪
基于形态上的类似三叶虫的祖先可能是类似于节肢动物的动物如斯普里格蠕虫或其他隐生宙埃迪卡拉纪时期类似三叶虫的动物。早期三叶虫与伯吉斯页岩和其他寒武纪的节肢动物化石有许多类似的地方[1]。因此三叶虫与其他节肢动物可能在埃迪卡拉纪和寒武纪的交界之前有共同的祖先。
灭绝
Asaphus kowalewskii，一种在俄罗斯出土的三叶虫
二叶石，三叶虫足迹的化石
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他早期鱼类的出现与同时发生的三叶虫数量的减少似乎不是无关的。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。
今天存在的与三叶虫最接近的动物可能是鲎或头虾纲(Cephalocarida)等动物
化石分布
清初文人王士祯在《池北偶谈》一书《谈艺》篇中首次记载了泰山燕子石，即三叶虫化石，“背负一小蝠、一蚕，腹下蝠近百，飞者、伏者、肉羽如生，蚕右天然有小凹，可以受水;下方正，受墨。公制为砚，名曰：‘多福砚’”。由于三叶虫总是与其他海洋动物的化石一起被发现，因此它们看来全部在海洋中生活。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，地质学家可以使用它们来确定含有三叶虫的石头的年代。三叶虫是最早的、获得广泛吸引力的化石，至今为止每年还有新的物种被发现。一些印第安人部落认识到三叶虫是水生动物，他们称三叶虫为“石头里的小水虫”。
三叶虫是美国俄亥俄州(Isotelus)、威斯康辛州(Calymene)和宾夕法尼亚州(Phacops rana)的州化石。
在英属哥伦比亚、纽约州、中国、德国和其他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。
在俄罗斯、德国、摩洛哥、美国和加拿大均有商业采集三叶虫化石的企业。
2000年于加拿大发现最大化石三叶虫Isotelus rex，长720毫米，宽400毫米，时间约4亿4千5百万年前奥陶纪时期的。
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