DNA、エネルギー貯蔵用のポリヒドロキシ酪酸の顆粒、70Sリボソーム、高度好塩菌などが持つ浮力調整用のガス胞などが比較的目立つ。
細胞骨格は基本的に存在しないとされるが、アクチン様細胞骨格の存在が示唆されている
DNAは真正細菌と同じく基本的に環状で、細胞膜に付着している。ゲノムは好熱菌では1分子のことが多いが、高度好塩菌や一部のメタン菌は副ゲノムやプラスミドを所持する場合もある。ゲノムサイズは1.3 - 6 Mbp（Mbp=100万塩基対）と真正細菌と比較してもやや小さく、Ignicoccus hospitalisのゲノムは129万7538bp[26]しかない。完全独立生物を送るものとしては最小である。さらにこの菌に共生している“Nanoarchaeum equitans”に至っては宿主に完全に依存しているとはいえ49万885 bpという極めて小さなゲノムを持つ[27]。これまでに解析された古細菌のうち最大のゲノムを持つのはMethanosarcina acetivorans（575万1492bp[28]）である。各古細菌のゲノムサイズはゲノム配列が決定された古細菌の一覧にリストしている。
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DNAに結合し凝縮させるタンパク質は、一般的に古細菌型ヒストンである[29][30]。DNAがヒストン様タンパクに巻きついたヌクレオソームも観察されているが、真核生物ほど強固ではなく、結合様式も異なる。その他各種DNA結合タンパクが存在する。サーモプラズマ綱と好熱クレンアーキオータはヒストンを持っておらず、それぞれ真正細菌のHU様タンパクや[31]、独自のDNA結合タンパクを所持する[32]。
DNA複製機構の全容はまだ解明されていないが、多くの古細菌はアフィディコリンにより増殖阻害を受けることから、真核生物と同じく複数のBファミリーDNAポリメラーゼを使っていることが示唆されている（ユリアーキオータはDファミリーDNAポリメラーゼも使用する）。この他にも真核生物の複製系酵素のホモログが多数見つかっている[33][34]。岡崎フラグメントの長さや[35]、複製速度も真核生物に類似している。DNAは環状にもかかわらず、複製開始地点が複数存在する場合もあり興味深い
DNAからタンパク質が合成される際は、まずDNA配列に従いmRNAが合成（転写）され、さらにmRNA配列に従ってタンパク質に翻訳される。この過程はあらゆる生物において共通しているが、真核生物、真正細菌で微妙に異なる。古細菌はおおむね両者の中間、あるいは真核生物よりの機構を持っている。
具体的にはmRNAはスプラシングを基本的に受けないという点で真正細菌に、翻訳開始アミノ酸がメチオニンであること、リボソームがストレプトマイシンやキロマイシンによって阻害を受けず、ジフテリア毒素によって阻害を受けることなどの点で真核生物に似ている。転写機構は真核生物のRNAポリメラーゼIIによる転写機構と良く似ている。リボソームは3つのRNAと70種弱のタンパク質より成り、RNAは真正細菌に、タンパク質は真核生物にやや近い。