目前，古菌域的系统发生树分为4个主要分支(门)，即广域古菌门(Euryarchaeota)、泉生古菌门(Crenarchaeota)、初生古菌门(Korarchaeota)和纳米古菌门(Nanoarchaeota)。对许多海洋古菌的了解还仅限于分离自环境样品中的古菌基因序列，大部分海洋古菌还没有被培养出来。 广域古菌门包括甲烷产生菌、嗜热化能异养菌的热球菌属和火球菌属、极端嗜热的硫酸还原菌和铁氧化菌(古球状菌属和铁球状菌属)、极端嗜盐菌。广域古菌门的大多数成员对有机物进行厌氧生物降解的最后一步能够产生甲烷。甲烷产生菌一般是嗜温菌(mesophilic)或嗜热菌(thermophilic)，可以从动物消化道、缺氧沉积物和腐烂物等很多地方分离到。甲烷产生菌也作为厌氧原生动物的内共生体，发现于白蚁的后肠中。能消化木材和纤维素的船蛆和其他海洋无脊椎动物的消化道中的纤毛虫很可能含有内共生古菌。嗜热产甲烷菌也是海底热液喷口处微生物的重要组成部分。产甲烷古菌是无氧海洋沉积物中产生大量甲烷的主要原因，其中很多甲烷以甲烷水合物的形式存在。甲烷水合物作为未来的能量来源，对全球具有重要意义。甲烷的去向也是非常重要的，因为它作为温室气体将影响着气候变化。广域古菌门的嗜热化能异养菌是在热液喷口处发现的极端嗜热菌，其最适生长温度超过80℃，在古菌域系统发生树上，它们的位置与细菌域中产液菌属和热袍菌属的位置相似。热球菌是直径为0.8 μm、运动性很强的、专性厌氧的化能异养球菌。古球状菌也是极端嗜热菌，发现于热液喷口的浅沉积物处和海底火山口周围，铁球状菌属的成员也发现于热液喷口处。极端嗜盐菌生活在NaCl浓度大于9%的环境中，目前已分离鉴定的约有20个属，大部分类型都可在高盐极端环境中发现。 泉生古菌门在系统发生上与广域古菌门截然不同，尽管许多种类有相似的生理特征，包括极端嗜热的特性。大多数已被培养的代表菌种是从陆地温泉中发现的，但其他一些种类则发现于海底热液喷口处(图3.4)。它们在代谢中可利用的电子供体和受体范围很广，或者营化能自养，或者营化能异养，大多数是专性厌氧菌。
图3.4 海底热泉(A)和嗜热细菌(B)
初生古菌门在进化上与嗜冷的泉生古菌门比较近，但是又与嗜热微生物有许多共同点，它们在系统进化树上又处于根部，为生命热起源提供了一定的证据。 纳米古菌门迄今只发现1个种，即骑行纳米古菌，是与火球菌营共生的专性共生菌。纳米古菌的细胞直径大约为400 nm，基因组只有0.48 Mb，是迄今所知的除病毒外的最小生物。实验发现，这种古菌极端嗜热，在100℃依然可以生存。