生物特徵
儘管生活習性大相逕庭，古菌的各個類群卻有共同的、有別於其他生物的細胞學及生物化學特徵。例如，古菌細胞膜含由分枝碳氫鏈與D型磷酸甘油，以醚鍵相連線而成的脂類，而細菌及真核生物細胞膜則含由不分枝脂肪酸與L型磷酸甘油，以酯鍵相連線而成的脂類。細菌細胞壁的主要成分是肽聚糖，而古菌細胞壁不含肽聚糖。
有趣的是，雖然與細菌相似，古菌染色體DNA呈閉合環狀，基因也組織成操縱子（操縱子為原核生物基因表達和調控的基本結構單位，生物活性相關的基因常以操縱子的結構形式協調基因表達的開啟和關閉），但在DNA複製、轉錄、翻譯等方面，古菌卻具有明顯的真核特徵：採用非甲醯化甲硫氨醯tRNA作為起始tRNA，啟動子、轉錄因子、DNA聚合酶、RNA聚合酶等均與真核生物的相似。
比較生物化學的研究結果表明，古菌與細菌有著本質的區別，這種區別與兩者表現在系統發育學方面親緣關係的疏遠是一致的。
生存環境
人們對古菌的興趣並非始於1970年代。古菌一些奇特的生活習性和與此相關的潛在生物技術開發前景，長期以來一直吸引著許多人的注意。古菌常被發現生活於各種極端自然環境下，如大洋底部的高壓熱溢口、熱泉、鹽鹼湖等。事實上，在這個星球上，古菌代表著生命的極限，確定了生物圈的範圍。例如，一種叫做熱網菌（Pyrodictium）的古菌能夠在高達113℃的溫度下生長。這是迄今為止發現的最高生物生長溫度。利用分子生物學方法，人們發現，古菌還廣泛分布於各種自然環境中，土壤、海水、沼澤地中均生活著古菌。
形態
單個古菌細胞直徑在0.1到15微米之間，有一些種類形成細胞團簇或者纖維，長度可達200微米。它們可有各種形狀，如球形、桿形、螺鏇形、葉狀或方形。它們具有多種代謝類型。值得注意的是，鹽桿菌可以利用光能製造ATP，儘管古菌不能像其他利用光能的生物一樣利用電子鏈傳導實現光合作用。
培養
可在實驗室培養的古菌主要包括三大類：產甲烷菌、極端嗜熱菌和極端嗜鹽菌。
產甲烷菌生活於富含有機質且嚴格無氧的環境中，如沼澤地、水稻田、反芻動物的反芻胃等，參與地球上的碳素循環，負責甲烷的生物合成；
極端嗜鹽菌生活於鹽湖、鹽田及鹽醃製品表面，它能夠在鹽飽和環境中生長，而當鹽濃度低於10％時則不能生長；
極端嗜熱菌通常分布於含硫或硫化物的陸相或水相地質熱點，如含硫的熱泉、泥潭、海底熱溢口等，絕大多數極端嗜熱菌嚴格厭氧，在獲得能量時完成硫的轉化。
分類學說
伍斯於1977年提出，生物可分為三大類群，即真核生物、真細菌和古細菌。基於SSUrRNA分析結果的泛系統發育（進化）樹隨後誕生了。
進一步的研究表明，進化樹上的第一次分叉產生了真細菌的一支和古細菌/真核生物的一支，古細菌和真核生物的分叉發生在後。換句話說，古細菌比真細菌更接近真核生物。
據此，1990年伍斯提出了三域分類學說：生物分為真核生物、真細菌和古細菌三域，域被定義為高於界的分類單位。為突出古細菌與真細菌的區別，伍斯將古細菌更名為古菌。真細菌改稱細菌。三域學說使古菌獲得了與真核生物和細菌等同的分類學地位。
自誕生之日起，伍斯的三域學說便遭到部分人，特別是微生物學領域外的人反對。反對者堅持認為：原核與真核的區分是生物界最根本的、具有進化意義的分類法則；與具有豐富多樣性表型的真核生物相比，古菌與細菌的差異遠沒有大到需要改變二分法則的程度。但在詹氏甲烷球菌基因組序列測定完成前的近20年中，採用多種分子記時器進行的系統發育學研究一再證明，古菌是一種獨特的生命形式。
