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寒武纪动物群以具有坚硬外壳的、门类众多的海生无脊椎动物大量出现为其特点，是生物史上的一次大发展。其中三叶虫最为常见，是划分寒武系的重要依据。其它尚有无铰、几丁质外壳的腕足类小舌形贝、小园货贝以及古杯类和软舌螺等。植物群以藻类为主，还有一些微古植物。寒武纪三叶虫群分区现象特别明显。
动物地理区主要有两个，即东方太平洋区和西方大西洋区。大西洋动物群，其分布范围包括大西洋两岸，如西北欧及美洲最东部新英格兰地带。早寒武世、中寒武世和晚寒武世分别以贺尔姆虫、奇异虫和油栉虫为代表。太平洋动物群，则以莱德利基虫、库庭虫和褶盾虫为代表。
寒武纪常被称为“三叶虫的时代”，这是因为寒武纪岩石中保存有比其他类群丰富的矿化的三叶虫硬壳。
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，是节肢动物的一种，在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，是一类生命力极强的生物。在漫长的时间长河中，他们演化出繁多的种类，有的长达70厘米，有的只有2毫米。全身明显分为头、胸、尾三部分，背甲坚硬，背甲为两条背沟纵向分为大致相等的三片--一个轴叶和两个肋叶，因此名为三叶虫。
在动物分类学上，三叶虫属于节肢动物门、三叶虫纲。他们生活在远古的海洋中，主要出现在寒武纪，到寒武纪晚期时发展到顶点。此后，三叶虫从极盛的高峰走向衰退，延续到二叠纪末期时绝灭，没有进入中生代。三叶虫在整个古生代3亿多年的漫长地质历程中生生不息，繁衍出了众多的类群和巨大的数量，三叶虫纲可以分为10目：球接子目、莱得利基虫目、耸棒头虫目、褶颊虫目、镜眼虫目、裂肋虫目、栉虫目、镰虫目、砑头虫目及齿肋虫目。总计有1500多个属，1万多个种，其中发现于中国的有大约500个属。
三叶虫的形状大多为卵圆形或椭圆形，个体大小相差却很悬殊。发现于葡萄牙奥陶纪地层中的乌拉裂肋虫是最大的三叶虫之一，长达70厘米。而古盘虫、球接子之类的微小三叶虫却只有不到6毫米。常见的三叶虫一般长度都在3到10厘米，宽度在1到3厘米。超过20厘米的就算大型的了。在中国昆明寒武纪早期地层中曾经发现过长度为30厘米的莱得利基虫。
多数三叶虫有眼睛。典型的三叶虫眼睛是复眼，每个透镜都是一个一般排列为六边形的拉长的棱镜。每只复眼内的透镜数不等，有些只有一个，有些可达上千。他们还有可能用来作味觉和嗅觉器官的触角，触须可达20至30厘米。
有些三叶虫是瞎的，可能它们居住在非常深的海底，那里没有光，因此用不着眼睛。有些（比如蛙形镜眼虫）有很大的眼睛。
三叶虫与珊瑚、海百合、腕足动物、头足动物等动物共生。大多适应于浅海底栖爬行或以半游泳生活，还有一些在远洋中游泳或远洋中漂浮生活。生活习性的不同决定着其身体构造不同。底栖三叶虫身体扁平，有的三叶虫可钻入泥沙生活，其头部结构坚硬，前缘形似扁铲，便于挖掘。有的头甲愈合，肋刺发育，尾小，具尖末刺，用以在泥沙中推进。另外，适于在松软或淤泥海底爬行生活的类型，其肋刺和尾刺均很发达，使身体不易陷入泥中。营漂浮生活的类型，往往身体长满纤细的长刺。它们以原生动物、海绵动物、腔肠动物、腕足动物的动物尸体或以海藻等细小生物为食。
三叶虫的生活习性是多种多样的，化石中最多的一类是保存在石灰岩或页岩中，可见当时它们大多生活在浅海底或游移于淤泥之上。它们有的稍能游泳，有的随水漂流。志留纪中期的齿虫类，整个身体几乎被密密的长刺包围，这些长刺对于它们在水里
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