Les cyanobactéries sont des organismes procaryotes autotrophes ne présentant ni noyau véritable, ni plaste, ni reproduction sexuée. Elles possèdent de la chlorophylle et d'autres pigments, d'où leur couleur qui peut varier beaucoup, mais qui est plutôt bleue dans un peu moins de 50 % des cas, ce qui explique leur nom, bien qu'en fait plus de la moitié des cyanobactéries connues ont une couleur extérieure autre (dorée, jaune, brun, rouge, vert émeraude, violet, ou bleu foncé presque noir).
Elles peuvent former des filaments dépassant un mètre de long, unicellulaires, mais pouvant se subdiviser en fragments (dits hormogonies) et plus rarement des plaques, ou colonies irrégulières
Au microscope électronique, on peut distinguer deux zones différenciées principalement par leur couleur :
Elle se fait par division végétative et par spores, soit unicellulaires (coccospores), soit sous forme de filaments de cyanobactéries (trichomes = hormogonies) ce qui constitue deux principales classes de cyanobactéries : les coccogonophycidées (formes solitaires ou coloniales) et les hormogonophycidées (formes coloniales filamenteuses). Quand la bactérie est symbiote d'une autre espèce, ses cellules se divisent au rythme des cellules de l'espèce-hôte.
Les pullulations apparaissent souvent dans les eaux peu aérées ou à faible courant, mais il arrive qu'en été des rivières rapides soient touchées.
Les cyanobactéries qui vivent en colonies cohérentes (en trichomes formant des films, amas ou filaments) fixent l'azote de l'air via des cellules spécialisées dites hétérocystes qui fonctionnent indépendamment des autres cellules, en anaérobiose. Quand les nitrates ou l'ammoniac manquent, une partie des cellules de ces cyanobactéries (10% environ) épaississent leurs parois, excrètent leur pigments et synthétisent une enzyme (nitrogénase) qui fixe l'azote (stocké sous forme de glutamine qui peut être utilisée par d'autres cellules vivant elles en aérobie).
Certaines cyanobactéries sont aussi actives la nuit ou en l'absence de lumière, se transformant en quelque sorte en bactéries chimio-hétérotrophes (en oxydant les sucres). Certaines survivent aussi en anaérobiose (ex : Oscillatoria limnetica) en photosynthétisant à partir du sulfure d'hydrogène au lieu de l'eau.
Les cyanobactéries sont les êtres vivants les plus anciens identifiés avec certitude avec les archées, puisqu'on en trouve déjà durant le précambrien (les formes les plus simples), jusqu'aux alentours de 3,8 milliards d'années. La présence de ces bactéries assez complexes laisse supposer l'existence antérieure de formes de vie plus simples (dont nous ne connaissons aucun fossile), repoussant la date d'apparition de la vie sur Terre. Par ailleurs, ces cyanobactéries anciennes ont généré des formations géologiques, les stromatolithes.
Grâce à leur activité, des roches carbonatées se sont formées en abondance en piégeant ainsi le gaz carbonique de l'atmosphère primitive, ce qui a pu nous fournir de nombreuses informations quant à la composition de l'atmosphère, donc sur les conditions de vie de l'époque. Elles sont à l'origine de la modification de l'atmosphère terrestre avec l'enrichissement en dioxygène, nécessaire au développement de la vie sur Terre en permettant l'apparition de la couche d'ozone protectrice, et du premier grand puits de carbone qui a diminué l'effet de serre, alors que la puissance moyenne reçue du Soleil augmentait.
Les cyanophycées vivent presque partout, y compris dans des conditions extrêmes, des glaces polaires (On a trouvé des tapis bactériens de plusieurs cm d'épaisseur, sous plus de 5 m de glace permanente)aux sables des déserts. Elles survivent dans les lacs très chauds et/ou acides des cratères volcaniques comme dans les geysers. Elles croissent tant en eau douce que salée, sous forme planctonique (vivant dans la masse d'eau), ou sous forme benthique (organismes fixés à un substrat immergé). Elles se développent particulièrement bien dans certains milieux pollués par les activités humaines (eutrophisation, dystrophisation). Ces proliférations (blooms) forment par exemple des fleurs d'eau de couleur particulière qui apparaissent sur un plan d'eau en voie de pollution. On assiste à ces efflorescences alguales quand l'eau contient de l'azote et/ou du phosphore en excès, conséquence par exemple d'une agriculture trop intensive ou d'une urbanisation épurant mal ses eaux. Pour cette raison, lorsqu'on détecte qu'une étendue d'eau est envahie par les cyanobactéries, il ne faut pas considérer l'efflorescence elle-même comme la pollution, mais plutôt comme une réaction naturelle à une pollution déjà présente.
Un autre paramètre important influençant l’apparition de fleurs d’eau est le débit du cours d’eau. Un fort débit provoque un brassage continuel de la matière en suspension en plus d’empêcher la stratification des eaux. Ainsi, l’acquisition de nutriments par les cyanobactéries est peu probable et ils ne peuvent se positionner dans la colonne d’eau pour obtenir l’intensité lumineuse requise. C’est pourquoi les fleurs d’eau apparaissent dans les lacs et les rivières à faible débit, plutôt que dans les fleuves (avec quelques exceptions).
De plus, les cyanobactéries en cas de stress intense peuvent créer des spores résistantes (akinètes) protégées par une sorte de squelette minéral. Elles sont en outre reconnues pour n’avoir que très peu d’ennemis naturels et éliminent les espèces concurrentes, tout en échappant mieux que d'autres à la prédation. La principale source de contrôle des populations provient de la compétition entre espèces de cyanophycées, et peut-être parfois de virus susceptibles de les infecter
Les cyanobactéries adoptent plusieurs stratégies de survie telle que la capacité d’emmagasiner le phosphore qui est l’élément nutritif limitant dans les cours d’eau. De plus, certaines espèces possèdent un mécanisme de positionnement dans la colonne d’eau par l’intermédiaire de vésicules gazeuses. Ils sont donc en mesure de s’adapter aux conditions lumineuses variables en fonction de la période du jour. Comme autres mécanismes d’adaptation on dénote la capacité de certaines espèces à utiliser des photons de longueurs d’ondes différentes de ceux qui sont normalement utilisés, et qui pénètrent plus profondément dans l’eau.
Une question très importante au niveau de la fonction métabolique (rôle écologique) des cyanotoxines subsiste. Plusieurs suggèrent que la production de ces métabolites seraient uniquement due à une réponse face à un stress provenant de l’environnement, alors que d’autres croient que l’expression des gènes qui génèrent ces toxines est constitutive et que la proportion synthétisée augmenterait avec la croissance de la souche en question et par conséquent, indirectement avec les facteurs environnementaux. Comme autre hypothèse, on propose que ces molécules puissent servir de facteurs favorisant le mutualisme avec d’autres espèces, ou bien à l’inverse, ces toxines pourraient procurer un avantage sélectif sur des espèces compétitrices.