作为一个类群，古生菌在生理学和形态学上都是多种多样的。它们可以是需氧的、兼性厌氧的或是严格厌氧的。营养上它们从化能无机自养生物到有机营养生物。一些是中温生物；另一些是能在100℃以上生长的超嗜热生物。古生菌形态学上也是多种多样的，一些古生菌可以通过二分裂、芽殖或其他的机制增殖。它们有的是单细胞，然而也可以形成菌丝体或团聚体。
20世纪70年代，Garl Woese博士率先研究了原核生物的进化关系。考虑到产甲烷微生物的生活环境可能与生命诞生时地球上的自然环境相似，Woese将这类生物称为古细菌。据此，Woese于1977年提出，生物可分为三大类群，即
真核生物、
真细菌和古生菌，即生物的
三域系统。作为一个类群，古生菌在生理学和形态学上都是多种多样的。它们可以是需氧的、兼性厌氧的或是严格厌氧的。营养上它们从化能无机自养生物到有机营养生物。一些是中温生物；另一些是能在100℃以上生长的超嗜热生物。古生菌形态学上也是多种多样的，一些古生菌可以通过二分裂、芽殖或其他的机制增殖。它们有的是单细胞，然而也可以形成菌丝体或团聚体。它们染色或是
革兰氏阳性或是革兰氏阴性，可以是球形、杆状、螺旋形、耳垂形、盘状、不规则形状或多形态的。它们是直径范围为0.1~15μm，一些菌丝体能够生长到200μm长。
有的古生菌具有原核生物的某些特征，如无核膜及内膜系统；也有真核生物的特征，如：以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、DNA具有内含子并结合组蛋白、RNA聚合酶和真核细胞的相似、核糖体对氯霉素不敏感；此外还具有既不同于
原核细胞也不同于
真核细胞的特征，如：细胞膜中的脂类是不可皂化的；细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似与肽聚糖，但都不含胞壁酸、
D型氨基酸和
二氨基庚二酸。
普通常见的生物很难生存在高温、强酸、强碱或盐浓度很高的环境中，如在温度超过100℃或极端酸性或碱性的水中。但是，在极端水生和陆生生境中常常发现古生菌。如盐细菌生长在极浓的盐水中，
嗜热细菌生长在自然煤堆里以及超嗜热古生菌生长在海底深处或火山口附近，嗜硫细菌生长在硫黄温泉中，嗜压细菌生活在深海等。也有一些古生菌是动物消化系统的共生生物，存在于牛、白蚁和海洋生物的体内并且在那里产生甲烷。还有的古生菌生长在没有氧气的海底淤泥中，甚至能够在沉积于地下的石油中生长。某些古生菌在晒盐场上的盐结晶里生存。最近，已经在冷环境中发现了古生菌。似乎它们占到了南极海岸表面水域原核生物量的34%以上。
总体认为，现今一切生物都是由共同的远祖—一种小的细胞进化而来，先分化出细菌和古生菌这两类原核生物，后来古生菌分支上的细胞先后吞噬了原细菌（相当于G—细菌）和蓝细菌，并发生了内共生，从而两者进化成与
宿主细胞难舍难分的细胞器—线粒体和叶绿体。于是宿主最终发展了各类真核生物。
产甲烷和嗜热菌是人们早就熟知的细菌，由于过去人们只注重了它们产甲烷和耐热的特性，一直将其归为真细菌的范畴。直到20世纪70年代后，由于细胞化学组分分析和分子生物学方法的建立，特别是16S rRNA序列分析方法的不断完善，才对产甲烷细菌、嗜热细菌、嗜盐细菌等极端环境微生物的研究逐步深入。根据16S rRNA序列分析绘制的古生菌
系统发育树展示出古生菌各个类群系统进化的关系。
第1亚群：近根部的甲烷嗜热菌已经能还原硫的超嗜热古生菌，包括硫还原球菌、
硫化叶菌、热变形菌、热网菌、热球菌，它们统称为泉古生菌界，超嗜热菌的寡核苷酸标记是UAACACCAC和CACCACAAG。
第2亚群：产甲烷古生菌，包括产甲烷球菌、
产甲烷杆菌、甲烷嗜热菌、古生球菌以及产甲烷八叠球菌—产甲烷螺菌类群。AYUAAG序列是
极端嗜热菌的标记。
第3亚群：极端嗜热盐的古生菌独立成群，包括盐杆菌—盐球菌，AAUUAG序列是
极端嗜盐菌的标记。