A atmosfera da Terra passou por várias fases distintas ao longo de sua vida, desde um período inicial rico em hidrogênio até a química oxidante moderna. A primeira atmosfera que a Terra tinha era quimicamente muito semelhante à composição do primordial poeira e nuvem de gás a partir da qual o sistema solar se formou. Essa química pode ser vista em alguns asteróides e é uma combinação de hidrogênio, hélio e moléculas orgânicas complexas.
Essa primeira atmosfera não durou muito. Era composto quase exclusivamente de gases leves e exposto ao vento solar. No início de sua história, a Terra carecia de um núcleo diferenciado. Por esse motivo, o planeta carecia de um forte campo magnético para desviar as partículas carregadas ejetadas pelo sol. Isso, combinado com a tendência de gases leves se espalharem pelo espaço, esgotou a primeira atmosfera da Terra.
A segunda atmosfera era composta principalmente de compostos que foram liberados pelos muitos vulcões ativos da Terra. Essa atmosfera era rica em vapor d'água, dióxido de carbono, dióxido de enxofre, enxofre e cloro. O hidrogênio também estava presente neste ambiente, assim como o nitrogênio molecular. A essa altura, o núcleo da Terra havia se diferenciado e um forte campo magnético permitiu a retenção de uma grande atmosfera.
Eventualmente, a vida evoluiu para converter a luz solar em energia química. O oxigênio molecular, que não é encontrado em gases vulcânicos, é um subproduto da fotossíntese e foi liberado em grandes quantidades entre 2 e 2,8 bilhões de anos atrás, causando formações de ferro em faixas características em rochas daquela idade.
