Vi khuẩn cổ được biết như là những sinh vật sống ở những môi trường khắc nghiệt, như suối nước nóng hay hồ mặn. Nhiều loài thuộc chi Helobacterium có thể phân bố ở những môi trường có nồng độ muối cao, nhiều protein trong cơ thể chúng không hoạt động khi nồng độ muối của môi trường thấp, chúng sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ khoảng 42oC. Loài Picrophilus oshimae có thể sống trong điều kiện cực nóng hoặc cực lạnh.

Carl Woese (1998) cho rằng rằng vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn là những nhánh tiến hóa riêng biệt được rẽ nhánh từ một tập hợp các cá thể tổ tiên sơ khai. Thomas Cavalier-Smith (2010), cho rằng Vi khuẩn cổ phân ly khỏi tổ tiên của chúng khoảng 0,85 tỷ năm trước là một nhánh tiến hóa riêng biệt từ một nguồn gốc chung với sinh vật nhân chuẩn. 

Nhiều nghiên cứu cho thấy màng tế bào vi khuẩn cổ lại được tạo bởi glycerol-ête lipid đặc điểm này khác với vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn - có màng được tạo chủ yếu bởi glycerol-estelipid. Lipid của vi khuẩn cổ chủ yếu dựa trên chuỗi bên isoprene và là những chuỗi dài với nhiều nhánh bên và đôi khi có cả những vòng cyclopropane hay cyclohexane. Ở một số vi khuẩn cổ, lớp lipid kép được thay bằng một lớp đơn - đuôi của hai phân tử phospholipid độc lập liên kết với nhau thành một phân tử đơn với hai đầu cực; cấu trúc này khiến màng của chúng thêm cố định và chống chịu tốt hơn với môi trường khắc nghiệt. Ribosome vi khuẩn cổ gần giống với sinh vật nhân chuẩn hơn so với vi khuẩn.Thành tế bào vi khuẩn cổ không có lớp peptidoglycan như ở vi khuẩn thật.

Mặc dù nhìn tương đồng về mặt cấu trúc chung của tế bào với vi khuẩn, vi khuẩn cổ vẫn mang bộ gen (dựa trên cơ sở phân tích trình tự rRNA 16S) và một số con đường trao đổi chất gần với sinh vật nhân chuẩn hơn, đặc biệt các enzyme liên quan tới quá trình phiên mã và dịch mã.