1974年，C.S.马顿斯（Christopher S.Martens）在海洋潮间带低硫酸盐浓度的沉积物中发现大量的甲烷。1979年，J.A.罗梅瑟（J.A.Romesser）等人分别从卡里亚科（Cariaco）海槽和黑海表层沉积物中分离出两株产甲烷古菌（Methanogens），海洋环境中的产甲烷古菌首次被报道。随后，科学家在海洋环境中分离出多种不同类型的产甲烷古菌，并且对其代谢和生态功能进行了研究。随着宏基因和测序技术的发展，科学家可以利用基于宏基因组的方法来探索产甲烷古菌的底物代谢和能量代谢方面的研究。在新命名的古菌门韦斯特古菌门（Verstraetearchaeota）、深古菌门（Bathyarchaeota）的基因组中都发现了甲烷代谢的关键基因——甲基辅酶M还原酶（methyl co-enzyme M reductase; MCR）的编码基因mcr基因（mcr基因是产甲烷最后一步的关键基因，所有产甲烷菌都具有的功能基因）。这些研究表明产甲烷古菌可能并不是只属于广古菌门（Euryarchaeota），其他古菌类群中可能也有产甲烷古菌。这些发现对此前有关产甲烷古菌起源进化的认识形成了挑战。不同环境中产甲烷古菌所利用的底物，以及产甲烷古菌与其他微生物的相互作用和起源进化仍然是研究热点。

透射电子显微镜下的产甲烷古菌（经彩色化处理）

绝大多数已知的产甲烷古菌属于广古菌门。产甲烷古菌共分为七个目：甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷火菌目（Methanopyrales）、甲烷杆菌目（Methanobacteriales）、甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷胞菌目（Methanocellales）和甲烷马赛球菌目（Methanomassiliicoccales）（以前称为“Methanoplasmatales”）。在新命名的韦斯特古菌门古菌类群中发现了mcr基因，是新发现的可能具有产甲烷功能的古菌。

海洋产甲烷古菌在海洋中分布非常广泛，主要分布在厌氧沉积物中。海洋水体、沉积物以及深海洋壳的玄武岩中都发现有产甲烷古菌，高温热液环境中也发现有产甲烷古菌的存在。

产甲烷古菌能够利用不同的底物产甲烷。根据利用底物的不同可分为不同的产甲烷代谢类型，主要分为三类：二氧化碳和氢气利用型、乙酸盐利用型和一碳类化合物利用型。进化地位不同的产甲烷古菌类群可能具有相同的产甲烷代谢类型，而进化地位相似或相同的产甲烷古菌类群可能具有不同的产甲烷代谢途径。

甲烷球菌目、甲烷火菌目、甲烷胞菌目、甲烷杆菌目和甲烷微菌目类群中大部分产甲烷古菌主要是利用氢气和二氧化碳产生甲烷。其中也有些产甲烷古菌能够利用氢气和甲基化合物产生甲烷。例如，甲烷球菌目类群可以利用二氧化碳作为电子受体，氢气或者甲酸盐作为电子供体产甲烷。这类产甲烷古菌多分布在海洋环境，它们需要海水中的盐离子为其生长提供帮助。甲烷杆菌目中某些类群也可以利用甲酸盐、一氧化碳或者仲醇类化合物为电子供体产甲烷。其中，甲烷球形菌属古菌（Methanosphaera）仅能利用氢气还原甲醇。甲烷微菌目中也有很多产甲烷古菌能够利用甲酸盐和仲醇代替氢气作为电子供体产甲烷。甲烷微菌目在海洋沉积物中广泛分布，在冷泉、硫酸盐-甲烷转换带（The Sulfate-Methane Transition Zone; SMTZ）、大陆架沉积物、热液生态系统中都有分布。而甲烷杆菌目主要分布在大陆架和冷泉沉积物中。甲烷胞菌目也可以利用甲酸盐产甲烷，对低氢气浓度环境具有耐受性，在此环境中仍能够利用氢气产甲烷。海洋环境中第七产甲烷古菌目主要分布在海洋热液环境中。

甲烷火菌目中仅包含Methanopyrus kandlerin，是能够利用二氧化碳和氢气产甲烷的产甲烷古菌，这类产甲烷古菌能够适应高温环境（84～110℃），主要分布在海底热液生态系统中。

甲烷马赛球菌目是氢气依赖型产甲烷古菌，能够利用氢气和甲醇或者甲胺产生甲烷，分布在各种不同的环境中，包括垃圾填埋场、稻田、海洋热液生态系统、动物或者人体消化道等环境。海洋中的第七产甲烷古菌目主要分布在海洋热液生态系统中。

甲烷八叠球菌目中包括的产甲烷古菌代谢类型复杂，能够利用多种不同的底物，例如氢气和二氧化碳、乙酸盐、一碳甲基化合物产生甲烷。甲烷八叠球菌科（Methanosarcinaceae）和甲烷鬃菌科（Methanosaetaceae）两科属于甲烷八叠球菌目。甲烷八叠球菌科中所有的产甲烷古菌都能够通过歧化反应利用甲基化合物（甲醇，单双三甲胺和甲基硫化物）产甲烷，而甲烷鬃菌科中的产甲烷古菌仅能够利用乙酸盐裂解的途径产甲烷。南极海洋有机质含量高的沉积物中乙酸盐利用型甲烷鬃菌科丰度很高，一般与奇古菌门（Thaumarchaeota）和异养细菌共存，对沉积物中的甲烷产生有重要的作用。海洋环境中甲烷八叠球菌目分布非常广泛，主要分布在厌氧、有机质丰富的大陆架沉积物（冷泉）中，在深海沉积物及热液环境中也有分布。