よく研究されている好熱菌のストレス耐性には、高温に対するものと低温に対するものの二つがある。微生物にとって、温度ストレスの耐性機構にて求められることは高塩濃度、強酸性、強塩基性などのそれとは異なる。塩、あるいは酸、塩基の高濃度環境に対しては、細胞内濃度を生物にとって適切なものに維持することで適応できる。すなわち、細胞内に取り込まないようにする、かつ、細胞外に効率的に排出する機構を備えることが要求される。対して、恒温能力を備えない微生物にとって温度は細胞内外で変化させることができない。したがって、微生物の温度ストレスで求められることは、細胞内生理現象をその温度で適切に運営することである。
高温耐性.
また、好熱菌の生息する自然環境(熱水噴出孔や陸上温泉)の温度は至適生育温度以上に上昇することもありうる。このため、超好熱菌であっても熱ショック応答の機構を有している。この応答機構は転写因子により誘導される。
低温耐性.
低温による核酸分子やタンパク質の構造の異常変化(変性)への対処はシャペロンによって行われる。シャペロンは、変性した構造を元の状態に戻す働きを持つ。低温下での変性とは、核酸の場合、分子内に熱力学的に安定な二次構造が形成されて転写と翻訳の過程に問題が生じることである。タンパク質の場合、構造変化は機能を喪失させる。
進化との関連.
超好熱菌の高温/低温耐性の研究は、生物の進化の過程を解き明かすための手段として有用であるとされている。なぜなら、超好熱菌は原始生命体に近いと推測されており、また、超好熱かつ嫌気的環境は生命誕生当初の地球に似ていると予測されているためである。すなわち、超好熱菌の高温耐性は原始生命体のそれと近いと考えられている。また、超好熱生物から常温生物への進化、すなわち高温環境からより低温の環境への進出の過程で高温耐性の退化と低温耐性の発展が起こったと考えられている。