У трехиглой колюшки брюшная колючка без заметного бугорка у основания. На спине перед плавником обычно 3 колючки, причём первые две из них длиннее последней. Первая колючка расположена над основанием грудных плавников и впереди брюшной колючки. Рыло короче заглазничного отдела головы. По бокам тела до 35 костных пластин, образующих на хвосте более или менее ясный киль. Тело серебристо-белого цвета, верх головы и спины синие. В нерестовый период у самцов красное брюхо и голубые глаза.

Колюшка трёхиглая живёт в среднем 2-3 года, максимум до 5 лет, длина до 11 см., масса до 9 г. Растёт она быстро и через 3-4 месяца достигает размеров половозрелых рыб. Созревает рано, в возрасте 1 года. В некоторых популяциях после первого нереста отмечается массовая гибель. Подвидов нет, но отмечается большая изменчивость многих признаков: число колючек, боковых пластин, количество позвонков и жаберных тычинок, окраска тела и т.п. Частота встречаемости форм в разных участках ареала различна, между ними возможны переходы, в ряде случаев выявлена репродуктивная изоляция между ними.

Трёхиглая колюшка обитает в самых разнообразных водоёмах от ультраолиготрофных с минерализацией менее 10 г/л до супергалинных водоёмов с солёностью до 100. Пределы температур также варьируют от 0°C (и ниже зимой в северных морях) до +32°C в горячих источниках Камчатки. Находили колюшку в торфяных карьерах, где никакой другой рыбы нет, и даже в артезианских колодцах.

Различают три экологические формы колюшки: морская, проходная и пресноводная.

Морская форма проводит весь свой жизненный цикл в море. Так, в Баренцевом, Белом и Чёрном морях колюшки ведут пелагический образ жизни, уходя довольно далеко в открытое море. В конце мая или в начале июня в Белом море они подходят на нерест к берегам (в середине июня). Размножается в море в прибрежных участках на мелководье при солёности 20-25 (Кандалакшский залив Белого моря).

Проходная форма живёт в море, но на размножение идёт в пресные воды (заход в Дон и кубанские лиманы из Азовского моря), после нереста взрослые особи погибают или уходят обратно в море. Молодь на первом году жизни также скатывается в море.

Пресноводная форма постоянно живёт и размножается в пресной воде, в море не выходит, даже если этот водоём и связан с морем. Известно, что между морскими и проходными колюшками нет генетических различий, но эти различия существуют между проходной и жилой формами.

Как у всякого короткоциклового вида, у колюшек отмечены резкие колебания численности. В отдельные годы колюшка составляла до 40-44% общего вылова рыбы в прибрежной зоне Финского залива (1980-1981 гг.) и до 46% в Куршском заливе (1970-1975 гг.). Пик её численности отмечался в 1941 и 1948 гг. на Азовском море, в 1937-1939 и 1970-х годах - на Белом море, в 1979-1982 гг. по всему восточному побережью Камчатки и в 1979-1982 гг. на Балтике (Рижский и Финский заливы). Только в р. Камчатку, по расчетам ихтиологов, ежегодно заходили 500 млн. штук при биомассе 1500 тонн и при плотности во время хода 1000 экз./м2.

Спектр питания довольно широк: от фито- и зоопланктона до бентоса (личинки насекомых, черви, ракообразные), в питании присутствуют также воздушные насекомые, икра, личинки и даже мальки рыб, поедает она и собственную молодь. Нерест зависит от географической широты водоёма, температуры и длины светового дня. Обычно на севере нерест летом, на Дону и в кубанских лиманах - с апреля до конца июня. Нерест порционный (до 10 актов размножения). Во время нереста появляется яркий брачный наряд.

Самец строит гнездо на дне из остатков растительности или другого материала, склеивая их специальным клейким секретом. Размеры гнезда различны, обычно меньше чайной чашки. После этого самец приглашает самку, которая откладывает около 100 икринок и уходит. Плодовитость от 170 до 1000 икринок, икра светло-жёлтая, диаметром 1,8 мм. После оплодотворения этой икры самец может пригласить другую самку. После заполнения гнезда икрой от 3-4 самок самец становится агрессивным, охраняет кладку и аэрирует её движениями своих грудных плавников. Через 8-12 дней начинается выклев личинок, но и после выхода всех личинок самец ещё 5-7 дней охраняет их.

Вид широко распространён в бассейнах северной части Атлантического и Тихого океанов. В европейской части России от Кольского полуострова и Новой Земли до Чёрного моря, обитает в бассейне Баренцева, Белого (Имандра, все реки Карелии и Архангельской области, включая Северную Двину), Балтийского (Ладожское и Онежское озера) и Чёрного морей (Дон, устье Кубани). Однако в Печоре её уже нет, отсутствует она в бассейне Каспийского и Аральского морей и в реках Сибири.

Раньше существовал специальный промысел колюшки на Белом море, на Балтике (в Финском, Рижском и Куршском заливах), в Азовском море и даже на Камчатке в связи со вспышкой её численности. В северных пресноводных экосистемах её биомасса может быть достаточно высокой и сопоставимой с биомассой основных промысловых рыб. Так, в оз. Дальнем на Камчатке численность колюшки колебалась от 1 до 6 млн. особей при общей биомассе 2-12 тонн (или 14-88 кг/га). Колюшка выедала до 1/3 биомассы зоопланктона, который потреблялся всеми рыбами.

Рыбий жир и кормовая мука из колюшки очень высокого качества. Во время блокады Ленинграда жир колюшки с высоким содержанием каротиноидов (до 5%) с успехом применяли в госпиталях при лечении ран и ожогов. Кроме того, колюшка используется для откорма животных, приготовления искусственных кормов для рыб и как удобрение для полей. В настоящее время хозяйственное значение колюшки невелико. Она всеядна, охотно поедает икру и личинок рыб, оказывая вредное влияние на численность потомства ценных промысловых видов.