Каждая фасетка, а их могло быть до 15 000 в каждом глазу, представляла собой самую настоящую двояковыпуклую или плоско-выпуклую линзу, но не стеклянную, а кальцитовую. Такие глаза были прекрасно приспособлены для жизни при тусклом освещении. Поскольку по мере роста трилобита глаза увеличивались, угол зрения постепенно менялся от 30 до 90 градусов. Располагались линзы так, что собирали свет в единый пучок на определенном участке в голове трилобита, где, вероятно, располагался светочувствительный орган. У некоторых трилобитов каждая глазная линза была в десять раз совершеннее целого глаза современной лягушки. Кроме того, соседние линзы могли использоваться для получения объемного изображения. Многократно засекая один и тот же объект парой соседних линз, трилобит измерял расстояние и скорость его передвижения. Выполнение подобных расчетов подразумевает относительно сложную нервную организацию трилобитов.

Чувствительные антеннулы служили трилобитам для поиска жертвы, а глаза, наоборот, позволяли избежать участи оной. У некоторых трилобитов органы зрения возвышались на стебельках. Сам зверек мог полностью врыться в ил, выставив их наружу словно перископы. Другие трилобиты с помощью глаз точно рассчитывали время, когда нужно свернуться в плотный шипастый клубок. Далеко не каждый хищник мог его распутать. Особенно важны были зрительные органы в период линьки. Поскольку у трилобитов, как у всех членистоногих, скелет находился снаружи и мешал расти, его время от времени приходилось скидывать. Это расставание с прежним скелетом, который распадался по всем швам (это действительно были швы, и они прекрасно видны на панцире), и называлось линькой. Подавляющее большинство смертных случаев у членистоногих приходится на время линьки, когда они становятся совершенно беззащитны перед хищниками. Поэтому на время смены «одежки» они скрывались в пустых трубках червей и раковинах улиток. Линяли разные трилобиты в течение своей жизни от 8 до 30 раз, каждый раз удлиняясь на один-два туловищных членика, а в целом вытягиваясь в 1200 раз.