Các loài ưa mặn, bao gồm chi Halobacterium, sống ở môi trường có lượng muối rất cao như các hồ mặn và có số lượng nhiều hơn hẳn nhóm vi khuẩn tương đương ở độ muối cao hơn 20–25%. Các loài ưa nhiệt sinh tồn tốt nhất ở nhiệt độ trên 45 °C (113 °F), ở những nơi như suối nước nóng; các vi khuẩn cổ "siêu ưa nhiệt" phát triển tối ưu ở nhiệt độ lớn hơn 80 °C (176 °F). Loài vi khuẩn cổ Methanopyrus kandleri Strain 116 sinh trưởng ở ... Tiếp tục ở trên, sao cho nó trả lời "在多少摄氏度，这种生物体才能够繁殖？":
mức 122 °C (252 °F), nhiệt độ cao kỉ lục của bất kì sinh vật nào.Những vi khuẩn cổ khác tồn tại ở điều kiện rất axít hoặc rất kiềm. Lấy ví dụ, một trong các vi khuẩn cổ ưa axít cực đoan nhất là Picrophilus torridus, có thể sống ở mức pH 0, tương đương với phát triển trong axít sulfuric nồng độ 1,2 mol.Khả năng chống chịu lại môi trường khắc nghiệt đã đưa vi khuẩn cổ trở thành trọng tâm của suy đoán về sự tồn tại của sự sống ngoài Trái Đất. Những môi trường sống của chúng cực đoan không khác gì lắm so với trên Sao Hỏa, dẫn đến một giả thuyết là những vi sinh vật sống có thể được di chuyển giữa các hành tinh nhờ các vẫn thạch.Gần đây, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi khuẩn cổ tồn tại không chỉ trong môi trường nhiệt độ cao hay bình thường mà còn hiện diện, đôi khi ở số lượng lớn, ở cả nhiệt độ thấp. Ví dụ là vi khuẩn cổ rất phổ biến ở môi trường đại dương lạnh như biển ở hai cực. Một điều còn quan trọng hơn là số lượng to lớn của vi khuẩn cổ được tìm thấy xuyên suốt các đại dương trên thế giới ở những môi trường không cực đoan giữa các cộng đồng sinh vật phù du (là một phần của picoplankton – các sinh vật phù du kích cỡ 0,2-2 µm). Dù những vi khuẩn cổ này có thể xuất hiện với số lượng vô cùng lớn (lên tới 40% sinh khối vi sinh), hầu hết chúng đều chưa từng được phân lập và nghiên cứu trong nuôi cấy vô trùng. Vì thế những hiểu biết của chúng ta về vai trò của vi khuẩn cổ đối với sinh thái đại dương mới chỉ rất sơ lược, ảnh hưởng đầy đủ của chúng lên các chu trình sinh địa hóa toàn cầu phần lớn vẫn chưa được khám phá. Một số loài Crenarchaeota ở biển có khả năng nitrit hóa, từ đó đề xuất rằng chúng có thể ảnh hưởng lên chu trình nitơ ở đại dương, dù những loài này cũng có thể sử dụng những nguồn năng lượng khác. Số lượng lớn vi khuẩn cổ được phát hiện trong các trầm tích bao phủ đáy biển, với những loài chiếm phần lớn các tế bào sống ở độ sâu trên 1 mét dưới mặt lớp trầm tích này.