Các cá thể vi khuẩn cổ có kích cỡ đường kính từ 0,1 micromet (μm) tới hơn 15 μm, tồn tại ở nhiều hình dạng khác nhau, phổ biến là hình cầu, hình que, hình xoắn và hình đĩa.[39] Các hình thái khác trong ngành Crenarchaeota bao gồm các tế bào có thùy với hình dạng bất thường như Sulfolobus, các tơ hình kim có đường kính nhỏ hơn nửa micromet như ở Thermofilum, và tế bào hình que chữ nhật gần như hoàn hảo ở Thermoproteus và Pyrobaculum.[40] Haloquadra walsbyi là các vi khuẩn cổ có hình vuông, phẳng sống ở các thủy vực có độ mặn rất cao.[41] Những hình dạng không bình thường này có thể là được duy trì cố định bởi thành tế bào và bộ khung tế bào. Những protein có liên quan tới các thành phần của bộ khung tế bào của những sinh vật khác cũng xuất hiện ở vi khuẩn cổ,[42] và có các cấu trúc dạng sợi nằm bên trong tế bào của chúng;[43] tuy nhiên trái ngược với các sinh vật khác, cấu trúc tế bào của vi khuẩn cổ mới chỉ được hiểu rất ít ỏi.[44] Ở Thermoplasma và Ferroplasma, việc thiếu đi thành tế bào có nghĩa là chúng không có hình dạng tế bào cố định, và có thể biến đổi giống như trùng amip.[45]

Một vài loài có thể tập hợp hoặc tạo các thể sợi của các tế bào với độ dài lên tới 200 μm.[39] Những tế bào này có thể trở nên nổi bật trong các biofilm.[46] Đặc biệt, tập hợp các tế bào Thermococcus coalescens có thể hợp lại với nhau khi nuôi cấy, tạo thành những tế bào khổng lồ riêng lẻ.[47] Các cá thể thuộc chi Pyrodictium lại tạo một tập đoàn đa bào phức tạp, gồm hệ thống các ống dài, mỏng và rỗng gọi là cannulae nằm ngoài bề mặt tế bào và gắn kết chúng tạo nên một khối đông đúc rậm rạp.[48] Chức năng của các cannulae vẫn chưa được rõ ràng, nhưng có thể chúng giúp sự truyền thông tin hoặc trao đổi dinh dưỡng giữa các tế bào gần nhau.[49] Có sự tồn tại của những tập đoàn đa loài, như cộng đồng "chuỗi ngọc trai" được phát hiện năm 2001 trong một đầm lầy ở Đức. Những tập đoàn hình tròn và màu trắng của một loài thuộc ngành Euryarchaeota chưa biết đến được đặt cách đều nhau dọc theo những sợi mỏng mà có thể kéo dài lên 15 centimet (5,9 in); những sợi tơ này được tạo bởi một loài vi khuẩn đặc biệt.[50]