甲烷細菌在自然界中分布極為廣泛,在與氧氣隔絕的環境中都有甲烷細菌生長,海底沉積物、河湖淤泥、沼澤地、水稻田以及人和動物的腸道、反芻動物瘤胃,甚至在植物體內都有甲烷細菌存在。
甲烷菌不能在有氧氣處生存,因此它們只能生存在完全缺氧氣的環境中,比如濕地土壤、動物消化道和水底沉積物等。甲烷作用也可發生在氧氣和腐爛有機物都不存在的地方,如地面下深處、深海熱水口和油庫等。