Sebbene molti degli archaea coltivati siano estremofili, questi organismi nei loro rispettivi habitat estremi rappresentano solo una minoranza della diversità totale del dominio Archaea. La maggior parte degli archaea non può essere coltivata all’interno dell’ambiente di laboratorio e la loro presenza onnipresente negli habitat globali è stata realizzata attraverso l’uso di tecniche indipendenti dalla cultura. Una tecnica comunemente usata indipendente dalla cultura è l’isolamento e l’analisi degli acidi nucleici (cioè,, DNA e RNA) direttamente da un ambiente, piuttosto che l’analisi di campioni coltivati isolati dallo stesso ambiente. Studi indipendenti dalla cultura hanno dimostrato che gli archaea sono abbondanti e svolgono importanti ruoli ecologici negli ecosistemi freddi e temperati. Gli organismi incolti nella suddivisione Crenarchaeota sono postulati per essere gli organismi ossidanti ammoniaca più abbondanti nei terreni e per rappresentare una grande percentuale (circa 20 per cento) dei microrganismi presenti nel picoplancton negli oceani del mondo., Nella suddivisione Euryarchaeota, gli organismi incolti nei sedimenti marini di acque profonde sono responsabili della rimozione del metano, un potente gas serra, attraverso l’ossidazione anaerobica del metano immagazzinato in questi sedimenti. Al contrario, si stima che gli euryarchaea metanogenici incolti (produttori di metano) provenienti da ambienti anaerobici terrestri, come le risaie, generino circa il 10-25% delle emissioni globali di metano.

I rappresentanti colti del Crenarchaeota provengono da ambienti ad alta temperatura, come sorgenti calde e prese d’aria idrotermali sottomarine. Allo stesso modo, i membri coltivati dell’Euryarchaeota includono organismi isolati da ambienti caldi, organismi che sono metanogeni e organismi che crescono vigorosamente in ambienti ad alto contenuto di sale (alofili)., Gli organismi del lignaggio Korarchaeota e del lignaggio Nanoarchaeota proposto abitano anche ambienti ad alta temperatura; tuttavia, i nanoarchaea sono molto insoliti perché crescono e si dividono sulla superficie di un altro archaea, Ignicoccus. Nanoarchaea, che sono stati scoperti nel 2002, contengono sia la più piccola cellula vivente conosciuta (1/100 della dimensione di Escherichia coli) che il più piccolo genoma noto (112 kilobasi ; per confronto, il genoma umano contiene 3,2 miliardi di coppie di basi)., I membri del Korarchaeota e Nanoarchaeota non sono stati rilevati in coltura pura; piuttosto, sono stati rilevati solo in colture miste di laboratorio.

Gli Archaea vivono anche in associazione con gli eucarioti. Ad esempio, gli archaea metanogenici sono presenti nei sistemi digestivi di alcuni animali, inclusi gli esseri umani. Alcuni archaea formano relazioni simbiotiche con le spugne. Infatti, Cenarchaeum symbiosum è stato coltivato in laboratorio con la sua spugna ospite e fu il primo Crenarchaeota non termofilo ad essere coltivato e descritto., Fu il primo organismo considerato per la classificazione nel lignaggio proposto Thaumarchaeota.