氨被氧化为亚硝酸盐，然后再进一步被氧化为硝酸盐是自然界氮循环的一个重要环节，称为硝化作用（nitrification）。其中氨的氧化被认为是硝化作用的限速步骤。长期以来，人们一直认为只有细菌参与该过程，直到2004年在未获培养的中温泉古菌（后改称奇古菌）的基因组中发现氨氧化关键酶——氨单加氧酶（ammonia monooxygenase; AMO）的编码基因，进而于2005年分离获得第一株氨氧化古菌Nitrosopumilus maritimus后，才证实了氨氧化古菌的存在。

氨氧化古菌广泛分布于海洋、淡水、表层沉积物、土壤、热泉等各类自然生境，其数量甚至大于同生境中的氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria; AOB）；此外，在废水生物反应器、活性污泥处理器中也发现了氨氧化古菌，因此，氨氧化古菌被认为是全球氮循环中的重要功能菌。人们暂时只获得了极少数氨氧化古菌的纯培养或富集培养物，它们均属于奇古菌门。与氨氧化细菌一样，氨氧化古菌皆为化能自养微生物。与氨氧化细菌相比，氨氧化古菌对铵态氮的亲和力非常高，可氧化环境中浓度极低的氨，而高浓度铵态氮则会抑制这些古菌的生长。据此推测，氨氧化古菌是氨浓度极低的大洋水体等环境中硝化作用的主要参与者。