甲烷代谢古菌包括产甲烷菌和甲烷氧化菌，前者是甲烷生成者，后者是甲烷消耗者。产甲烷菌在湿地、水稻土、厌氧消化器、湖泊海洋沉积物、人类等哺乳动物以及温泉和热泉等极端环境均有分布。产甲烷菌大部分只生存于厌氧环境中；但也有一些产甲烷菌因具有抗氧化基因而能够在低含氧量的土壤中进行产甲烷代谢。

一般为球状或者杆状。可以是单个细胞或者多个细胞形成的不规则叠球或者片状聚集体等。

产甲烷菌在系统进化上具有多样性，基于传统的16SrRNA分类，产甲烷菌主要分布在广古菌门，在目水平可分为8类：甲烷球菌目（Methanococcales）、甲烷火求菌目（Methanopyrales）、甲烷杆菌目（ Methanobacteriales）、甲烷微菌目（Methanomicrobiales）、甲烷胞菌目（Methanocellales）、甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）、甲烷马赛球菌目（Methanomassiliicoccales）和甲烷嗜碱古菌目（Methanonatronarchaeales）；但基于宏基因组数据显示，在TACK超菌门下的深古菌门（Bethyarchaeota）和韦斯特古菌门（Verstraetearchaeota）中可能存在未培养的产甲烷菌。

从底物利用和生化代谢途径角度，八类产甲烷菌可分为氢型产甲烷菌、乙酸型产甲烷菌和甲基营养型产甲烷菌。其代谢途径也可分为三种：①二氧化碳还原途径。即利用氢气、甲酸等提供电子还原二氧化碳产甲烷过程，几乎绝大部分产甲烷菌都可以利用此途径进行产甲烷代谢，但含有细胞色素和不含细胞色素产甲烷菌在这一途径中的能量代谢方式存在着一定差异。②乙酸裂解途径。甲烷八叠球菌是唯一鉴定的乙酸型产甲烷菌，包括专性乙酸甲烷鬃菌属（Methanosaeta）和底物多样性甲烷八叠菌属（Methanosarcina）。③甲基还原途径。包括利用氢气提供电子和利用甲基基团部分氧化提供电子还原甲基两种方式。能够进行甲基还原途径代谢的产甲烷菌包括大部分的甲烷八叠球菌属和甲烷嗜碱古菌目以及甲烷马赛球菌目中的一些种。

从能量代谢角度来看，所有产甲烷菌均只能依靠产甲烷过程进行能量贮存，即依赖产甲烷代谢过程中形成的钠离子或质子跨膜梯度来驱动膜结合的腺苷三磷酸合成酶转化腺苷二磷酸形成腺苷三磷酸维持细胞生长和细胞稳定。除共有的膜结合甲基辅酶M还原酶催化的离子梯度形成驱动力外，含有细胞色素和不含细胞色素产甲烷菌因其含有不同的电子传递链和异二硫化化合物还原酶复合物，其离子或质子梯度形成驱动力存在差异，另外，许多产甲烷菌能通过黄素基电子歧化路径增加能量贮存。