Vi khuẩn lam có thể được tìm thấy gần như trong mọi môi trường sống trên đất liền và trong môi trường nước - như trong các đại dương, môi trường nước ngọt, đất hay đá ẩm thấp vĩnh cửu hay tạm thời (kể cả trong các hoang mạc), đất và đá trọc (thậm chí kể cá các loại đá tại châu Nam Cực). Chúng có thể xuất hiện như là các tế bào phiêu sinh hay tạo ra các màng sinh học quang dưỡng. Chúng cũng được tìm thấy trong gần như mọi hệ sinh thái trong đá[7]. Một số loài vi khuẩn lam là các sinh vật nội cộng sinh trong địa y, thực vật, các dạng sinh vật nguyên sinh hoặc bọt biển và có vai trò cung cấp năng lượng cho sinh vật chủ. Một số loài còn sinh sống trên lông của một số loài thú, như những con lười, và tạo ra một dạng ngụy trang cho các động vật này[8].

Vi khuẩn lam thủy sinh được biết đến vì sự sinh sôi nảy nở rộng khắp và dễ thấy của chúng, cả trong môi trường nước ngọt lẫn môi trường biển. Sự sinh sôi nảy nở này có thể xuất hiện dưới dạng các vết hay các lớp váng có màu lục lam. Sự sinh sôi nảy nở này có thể là độc hại cho môi trường, và thường dẫn tới việc đóng cửa các vùng nước tiêu khiển giải trí khi xuất hiện các vết/đốm của vi khuẩn lam. Các virus ăn vi khuẩn lam ở biển là các sinh vật ký sinh đáng kể đối với các vi khuẩn lam đơn bào sinh sống trong môi trường biển[9]