古生菌在形态和生理上具有多样性，染色体为革兰氏阳性或阴性，形态包括球形、杆状、螺旋形、耳垂形、盘状等，有些为单细胞，也有形成丝状体或聚集体。大小从0.1至15µm不等，有些丝状体能够生长至200µm长。增殖方式包括二分裂、出芽、裂殖或其他机制。古生菌在氧气需求上表现出多样性，可以是好氧性、兼性厌氧性或绝对厌氧性。营养方式从化学无机自营性生物到有机营养性生物不等。温度适应性也非常广泛，有些是嗜温菌，另一些是超嗜热生物。它们常存在于厌氧、高盐或高温环境中。古生菌的细胞壁与细菌不同。革兰氏阳性古生菌的细胞壁与革兰氏阳性细菌相似，有一个单独厚的均一层；而革兰氏阴性古生菌无外膜和复杂肽聚糖，表面有蛋白质或糖蛋白次单元，化学组成与细菌不同。所有古生菌都不受溶菌酶和β-内醯胺抗生素作用。甲烷杆菌和某些甲烷菌的细胞壁含假肽聚糖，L-胺基酸取代D-胺基酸，N-乙酸塔罗糖胺糖醛酸代替N-乙酸胞壁酸，β(1→3)糖苷键代替β(1→4)糖苷链。甲烷八叠球菌和盐球菌缺乏假肽聚糖。革兰氏阴性古生菌在其质膜外有一层蛋白质或糖蛋白，厚度可达20-40nm，有时候有两层。古生菌的脂类和膜与细菌和真核生物不同。脂类具有分支的碳氢链与甘油以乙醚链相连，而非与脂肪酸以酯链相连。膜中有极性脂，如磷酸脂、硫酸脂和糖脂。极端嗜热菌的膜几乎全部都是四乙醚单层膜。古生菌的遗传学和分子生物学特性表现为染色体为单链闭合环状DNA。一些古生菌的基因体比正常细菌的基因体小，G+C含量变化大，从21到68%。质体少，詹氏甲烷球菌的基因体中1738个基因，约56%与细菌和真核生物中不相似。没有mRNA剪接，启动子与细菌相似。tRNA的TΨC臂无胸腺嘧啶(T)，含有假尿苷或1-甲基假尿苷。起始tRNA有甲硫胺酸，像真核生物。核糖体是70S，像细菌核糖一样，但电子显微镜研究显示它们的形状有显著变化。古生菌的分类学依据rRNA，伯杰氏手册分为广古生门(Euryarchaeota)和泉古生菌门(Crenarchaeota)。广古生菌门因它们生存于许多不同的生态，并有各种不同的代谢类型，分为7个纲：甲烷杆菌纲、甲烷球菌纲、盐杆菌纲、热浆菌纲、热球菌纲、古生球菌纲和甲烷嗜高热菌纲，9个目及16个科。产甲烷菌是这个门中的优势生理类群。泉古生菌特征较清楚的是嗜热菌或超嗜热菌，分为10个纲：热变形菌纲、硫化叶菌纲和硫还原球菌纲。热变形菌纲成员为革兰氏阴性厌氧性至兼性厌氧性，超嗜热杆菌为化学无机自营型，可将硫还原成硫化氢。硫化叶菌纲成员是球菌嗜热酸菌。硫还原球菌纲包括革兰氏阴性球菌或盘状的极端嗜热菌，可以用氢氧化作用行化学无机营养性生长，发酵作用或呼吸作用以硫为电子接受者行有机营养性生长。在海洋中发现了嗜温形式，这些泉古生菌是组成海洋超微型浮游生物的一个重要部分。