節肢動物門是動物界最大的一門，其外骨骼可以形成化石。從距今約7～10億年前的伊迪卡拉動物群中即已發現瞭節肢動物化石，從早寒武世開始三葉蟲大量出現。許多節肢動物化石過去曾作為標準化石用於地層對比。此外還可用於指示沉積環境。
進化史 節肢動物是由環節動物進化而來的，如身體分體節。神經系統呈鏈狀，綠腺、顎腺與腎管等構造與體腔管是同源的，葉足與疣足相似，循環系統在消化管背方等。對節肢動動物的祖先是一元還是多元有不同說法。主張一元起源的認為環節動物的祖先進化成為類似三葉蟲狀的原始節肢動物，再由其分兩支，一支進化為甲殼綱、多足綱和昆蟲綱，另一支進化為肢口綱和蛛形綱。也有人用分支系統學方法把六足類、多足類和有爪類分為一個單系，把甲殼類、有螯肢類、三葉形類分為另一單系，這二個單系互為姐妹群。主張多元起源的，根據幼蟲體節的不同，認為可能有3個起源，即甲殼綱有一個起源，三葉蟲綱、肢口綱、蛛形綱同有一個起源，多足綱和昆蟲綱另有起源。
分類 節肢動物的分類有過多種方案，目前分為4或5個亞門的較為普遍。4個亞門指三葉、甲殼、螯肢和單枝動物亞門，5個亞門則把堅角蛛劃為獨立亞門。在單枝亞門中劃分為有爪、多足和六足3個超綱。也有一種直接分為三葉、螯肢、堅角蛛、甲殼、有爪、多足、六足、舌形、緩步等9個超綱的分類法。在六足超綱中還將原尾、彈尾、雙尾、纓尾等目從昆蟲綱中分出，獨立為綱。隨著化石材料的發現和現在節肢動物的新發現和研究的深入，節肢動物的分類學今後可能還會有較大的變化。
分佈 節肢動物化石分佈極為廣泛，在不同地質歷史時期的不同地理區內的各種沉積物中都常有昆蟲化石。尤其因許多節肢動物有脫殼過程，使其幾丁質外殼能形成數量上極為豐富的化石。在一些以保存精美著稱的著名化石產地常可以見到具軟軀體印痕的節肢動物化石，如伊迪卡拉動物群、佈爾吉斯動物群、馬宗克立克動物群和中國近年發現的澄江動物群等。在琥珀中保存完好的昆蟲化石更是精妙絕倫。
三葉動物亞門 是節肢動物門中化石最多的一類，其中以三葉蟲綱最為重要，三葉蟲綱最早出現於早寒武世，於二疊紀末絕滅（見三葉蟲）。三葉形蟲綱（圖1）分佈於中寒武世至泥盆紀，絕大部分采自加拿大西部不列顛哥倫比亞的中寒武世佈爾吉斯頁巖中，保存為炭質薄膜，據分析，其生活方式底棲與浮遊的都有。
螯肢動物亞門 原始的肢口綱也出現於早寒武世，板足鱟類到二疊紀絕滅，化石分佈范圍較廣；劍尾類現代還有生存。蛛形綱（志留紀─現代）和堅角蛛亞門（泥盆紀─現代）化石都很少。
甲殼動物亞門 也出現於早寒武世，直到現在還有許多現生代表，其中鰓足綱的葉肢介類和介形綱在化石上較重要。軟甲綱的葉蝦類和真軟甲類從寒武紀以後，在許多時代均有發現，中國也已發現（圖2、圖3）。蔓足綱的化石以藤壺(Balanus)為代表。橈足綱化石很少。其他各綱無化石報道。
有爪超綱、多足超綱及六足超綱 前二者化石很少，後者化石主要是昆蟲化石〔見昆蟲綱（化石）〕。