Vi khuẩn cổ sinh sản vô tính thông qua phân đôi, phân mảnh hoặc nảy chồi; không có giảm phân, do đó nếu một loài vi khuẩn cổ nào xuất hiện nhiều hơn một dạng ở trên, tất cả đều có vật liệu di truyền giống nhau.[39] Sự phân bào được điều khiển trong chu trình tế bào; sau sự nhân đôi nhiễm sắc thể và tách rời hai nhiễm sắc thể con, tế bào mới phân chia.[101] Các chi tiết mới chỉ được nghiên cứu ở chi Sulfolobus, nhưng ở đây chu trình tế bào có những đặc điểm tương tự như ở cả vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn. Các nhiễm sắc thể nhân đôi từ nhiều điểm khởi đâu, sử dụng các DNA polymerase mà giống với các enzyme tương tự của sinh vật nhân chuẩn.[102] Tuy nhiên, những protein mà điều khiển sự phân chia tế bào, ví dụ FtsZ tạo thành một vòng co lại xung quanh tế bào, và những hợp phần của vách ngăn dựng lên dọc giữa trung tâm tế bào, thì giống các protein tương ứng ở vi khuẩn.[101]

Cả vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn đều có bào tử, ngược với vi khuẩn cổ.[103] Một vài loài của Haloarchaea có sự thay đổi kiểu hình và phát triển thành một số kiểu tế bào khác nhau, bao gồm những cấu trúc vách mỏng giúp chống chịu với choáng thẩm thấu và cho phép vi khuẩn cổ sinh tồn ở môi trường nước có độ muối thấp, nhưng đây không phải là cấu trúc sinh sản và thay vì thế có thể giúp chúng tới những môi trường sống mới.[104]