L'atmosfera terrestre ha attraversato diverse fasi distinte per tutta la sua vita, da un periodo iniziale ricco di idrogeno alla moderna chimica ossidante. La prima atmosfera terrestre era chimicamente molto simile alla composizione del primordiale nube di polvere e gas da cui si è formato il sistema solare. Questa chimica può essere vista in alcuni asteroidi ed è una combinazione di idrogeno, elio e molecole organiche complesse.
Quella prima atmosfera non durò a lungo. Era composto quasi esclusivamente da gas leggeri ed esposto al vento solare. All'inizio della sua storia, la Terra mancava di un nucleo differenziato. Per questa ragione, il pianeta mancava di un forte campo magnetico per deviare le particelle cariche espulse dal Sole. Questo, combinato con la tendenza dei gas leggeri a diffondersi nello spazio, ha impoverito la prima atmosfera della Terra.
La seconda atmosfera era composta principalmente da composti che erano degenerati dai molti vulcani attivi della Terra. Questa atmosfera era ricca di vapore acqueo, anidride carbonica, anidride solforosa, zolfo e cloro. L'idrogeno era presente anche in questo ambiente, così come l'azoto molecolare. A questo punto, il nucleo della Terra si era differenziato e un forte campo magnetico permetteva la conservazione di una grande atmosfera.
Alla fine, la vita si è evoluta per convertire la luce solare in energia chimica. L'ossigeno molecolare, che non si trova nei gas vulcanici, è un sottoprodotto della fotosintesi ed è stato rilasciato in grandi quantità tra 2 e 2,8 miliardi di anni fa, causando le caratteristiche formazioni di ferro legato nelle rocce di quell'età.
