Atmosfera ziemska przeszła wiele różnych faz w całym swoim życiu, od wczesnego okresu bogatego w wodór po nowoczesną chemię utleniającą. Pierwsza ziemska atmosfera była chemicznie bardzo podobna do składu pierwotnego Chmura pyłu i gazu, z której powstał układ słoneczny. Ta chemia może być widoczna w niektórych asteroidach i jest kombinacją wodoru, helu i złożonych cząsteczek organicznych.
Ta pierwsza atmosfera nie trwała długo. Składał się on prawie wyłącznie z gazów lekkich i wystawiony na działanie wiatru słonecznego. Na początku swojej historii na Ziemi brakowało zróżnicowanego rdzenia. Z tego powodu na planecie brakowało silnego pola magnetycznego, aby odeprzeć naładowane cząstki wyrzucone przez Słońce. To, w połączeniu z tendencją do wydostawania się lekkich gazów do kosmosu, zniszczyło pierwszą atmosferę Ziemi.
Druga atmosfera składała się głównie ze związków, które były odgazowywane przez wiele aktywnych wulkanów Ziemi. Atmosfera ta była bogata w parę wodną, dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, siarkę i chlor. W tym środowisku występował także wodór, podobnie jak azot molekularny. W tym czasie jądro Ziemi różniło się, a silne pole magnetyczne pozwalało utrzymać dużą atmosferę.
Ostatecznie życie ewoluowało, by zamienić światło słoneczne w energię chemiczną. Tlen molekularny, który nie występuje w gazach wulkanicznych, jest produktem ubocznym fotosyntezy i został uwolniony w dużych ilościach między 2 a 2,8 miliarda lat temu, powodując charakterystyczne formacje z pasemkami z żelaza w skałach w tym wieku.
