Trong số các cơ thể tự dưỡng theo hình thức quang hợp đã được biết đến thì vi khuẩn lam được xem là nhóm nguyên thủy nhất. Di tích hóa thạch của các vi khuẩn lam có dạng sợi phát hiện được cách nay khoảng 3,5 tỷ năm. Vi khuẩn lam là đại diện có vai trò quan trọng ở các hệ sinh thái. Vi khuẩn lam là sinh vật quang hợp đầu tiên tổng hợp chất hữu cơ và cũng là tế bào đầu tiên có hai hệ thống tiếp nhận ánh sáng (hệ thống quang I, II),  quá trình quang hợp giải phóng O2. Nhiều loài vi khuẩn lam có khả năng cố định đạm (cố định Nitơ tự do), chuyển Nitơ trong khí quyển từ thể tự do sang dạng Nitơ sử dụng được như amonium (NH4), acid amin và một loạt hợp chất nitơ khác.

Nhiều nhà khoa học hiện nay cho rằng, Vi khuẩn lam là nguồn gốc của lục lạp ở các sinh vật nhân chuẩn bằng thuyết nội cộng sinh. Trong giới Vi khuẩn (Bacteria, Khởi sinh – Monera – bao gồm cả vi khuẩn cổ) hiện nay được mô tả khoảng 10 000 loài thì hầu hết trong số chúng là vi khuẩn lam. 

Về tổ chức cơ thể, vi khuẩn lam có cấu tạo đơn giản, một số có dạng đơn bào, phần lớn có dạng tập đoàn hay đa bào hình sợi, hình chuỗi hạt đơn hay phân nhánh giả. Bên ngoài thành tế bào được bao bọc bởi lớp màng nhầy (lipopolysacharide). Vách tế bào được cấu tạo từ cao phân tử peptidglycan hay murein. Vi khuẩn lam chưa có nhân điển hình, không có màng nhân, vật chất di truyền được tập trung trong chất nhân (nucleoid), không có lưới nội sinh chất, ty thể, thể golgi, lạp thể và không mang roi, có màu xanh lam. Tế bào chứa sắc tố quang hợp chính là Chla, sắc tố quang hợp phụ Phycocyanin, allophycocyanin- màu lam và phycoerythin- màu hồng. Trong tế bào chất có các tấm thylacoid xếp đơn lẻ. Các sắc tố quang hợp liên kết với nhau và tập trung trên màng thylacoid tạo nên cấu trúc phycobylisome-nơi hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời cung cấp cho quá trình quang hợp. Những vi khuẩn lam sử dụng nước để tạo chất khử thì quá trình quang hợp giải phóng khí oxi, bên cạnh đó những vi khuẩn lam sử dụng khí H2S để tạo chất khử thì quá trình quang hợp giải phóng lưu huỳnh. Bên cạnh đó một số vi khuẩn lam sắc tố quang hợp lại chứa Chld như Acaryochloris marina, Chld có thể giúp chúng tận dụng nguồn ánh sáng đỏ có bước sóng lên đến 710 nm.

Một số vi khuẩn lam có tế bào dị hình. Tế bào dị hình là những tế bào đặc biệt, lớn hơn các tế bào sinh dưỡng bình thường khác, thành tế bào dày, trong suốt, kỵ khí và không có hệ thống quang hóa. Tế bào dị hình giúp cố định N2 trong không khí. Quá trình cố định diễn ra trong điều kiện kỵ khí. Chất dự trữ của tế bào là glycogen, volutin, không có tinh bột.

Một số loài thuộc các chi Anabaena, Aphanizomenon, Rivularia, Microcystis trong tế bào chứa các không bào khí, có tác dụng làm giảm trọng lượng cơ thể, có ý nghĩa trong đời sống trôi nổi của chúng. 

Vi khuẩn lam không có sinh sản hữu tính, chỉ có sinh sản bằng phân đôi tế bào, sinh sản sinh dưỡng bằng tảo đoạn (hormogonie) và vô tính (bằng bào tử). Ở những Vi khuẩn lam đơn bào, sinh sản sinh dưỡng bằng cách phân đôi tế bào thành 2,4,8... tế bào. Ở một số Vi khuẩn lam dạng tập đoàn, sinh sản sinh dưỡng bằng phân mảnh của tập đoàn. Các cơ thể đa bào dạng sợi tản đứt ra nhiều đoạn ngắn, rời tản mẹ và mọc thành sợi khác.Các đoạn tản sinh sản dinh dưỡng ấy gọi là tảo đoạn.

Một số vi khuẩn lam sinh sản vô tính bằng bào tử không có roi (bất động bào tử). Dạng bất động bào tử này gồm hai hình thức khác nhau gọi là bào tử nội sinh (nội bào tử - endospore) và bào tử ngoại sinh (ngoại bào tử - exospore).

Vi khuẩn lam khi gặp điều kịên bất lợi thì hình thành bào tử nghỉ hay bì bào tử (resting spore - Akinetes). Bì bào tử là dạng tế bào cóvách dày và kích thước lớn, chứa đầy chất dự trữ, giúp tảo duy trì được trong điều bất lợi của môi trường (như quá lạnh,  thiếu dinh dưỡng). 

Vi khuẩn lam có sức sống rất dẻo dai, chúng phân bố rộng rãi trong tất cả các môi trường. Đại bộ phận vi khuẩn lam sống trong nước ngọt, ở các ao hồ có nhiều chất hữu cơ và góp phần hình thành hệ sinh vật nổi (plankton) của các thủy vực. Một số phân bố trong nước mặn hoặc nước lợ, nơi bùn lầy hay đất ẩm ướt, trên đá, trên vỏ cây ẩm. Vi khuẩn lam còn được phát hiện ở ngay cả những nơi có điều kiện rất khắc nghiệt như trong tuyết và ở những suối nước nóng.

Những vi khuẩn lam sống trên núi cao ở Nam cực, ngoài nhiệt độ thấp, còn chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời rất mạnh.

Vi khuẩn lam cũng gặp ở các hồ, vũng ven biển có độ mặn cao do quá trình bốc hơi nước. Một số vi khuẩn lam có thể tiến hành quang hợp trong môi trường yếm khí tương tự như vi khuẩn.

Với các vi khuẩn lam phân bố ở nước ngọt, nhiệt độ phát triển thích hợp là 30°C.Khi sinh trưởng phát triển mạnh, chúng gây nên hiện tượng “nước nở hoa”. Tuy nhiên, một số loài thuộc chi Oscillatoria lại gây “nước nở hoa” trên băng ở nhiệt độ gần 0°C.

Một số Vi khuẩn lam sống cộng sinh bên trong cơ thể sinh vật khác. Nhiều vi khuẩn lam cộng sinh đã tạo ra nguồn đạm cho vật chủ và cả chính mình. Nhờ có khả năng cố định đạm đã giúp cho vi khuẩn lam sống thuận lợi hơn các loại tảo khác trong môi trường các thuỷ vực có nồng độ nitơ thấp: cộng sinh với nấm tạo thành Ðịa y; giữa Anabaena azollae với bèo hoa dâu... 

Trong thực tiễn, vi khuẩn lam có vai trò tích cực và tiêu cực. Trong nông nghiệp, vai trò quan trọng của vi khuẩn lam là làm tăng độ phì cho đất nhờ khả năng cố định đạm.

Những năm gần đây, một số vi khuẩn lam có hàm lượng protein cao như Spirulina maxima, S. platensis được nuôi trồng với quy mô công nghiệp để thu sinh khối nhằm bổ sung nguồn protein cần thiết cho chăn nuôi và cho con người.

Vi khuẩn lam tích lũy ở đáy thủy vực, tham gia vào việc hình thành bùn sapropen được dùng làm phân bón, thức ăn gia súc giàu vitamin, chế biến làm than cốc, khí hơi và dùng chữa bệnh...

Một số vi khuẩn lam được dùng làm thức ăn giàu protein và vitamin cho người như Nostoc commune, Nostoc pruniforme. Ngoài ra, cùng với vi khuẩn và các động vật nguyên sinh, vi khuẩn lam còn được dùng làm sạch sinh học các nguồn nước thải ra từ sản xuất công nghiệp.

Vi khuẩn lam cũng gây nên những ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống các sinh vật và môi trường. Vi khuẩn lam khi phát triển mạnh chúng gây hiện tượng "nước nở hoa"  làm giảm phẩm chất của nước, ảnh hưởng tới động vật đáy và biến đổi hệ sinh thái thủy vực. Vi khuẩn lam ít có ý nghĩa dinh dưỡng đối với động vật phù du, do chúng có cấu trúc màng nhầy, động vật thường không sử dụng được và chúng thường sinh ra độc tố. Chỉ có một số ít cá sử dụng một số vi khuẩn lam để ăn.