Die Atmosphäre der Erde hat während ihres gesamten Lebens mehrere unterschiedliche Phasen durchlaufen, von einer wasserstoffreichen Frühzeit bis zur modernen oxidierenden Chemie. Die erste Atmosphäre der Erde war chemisch sehr ähnlich der Zusammensetzung der Urzeit Staub- und Gaswolke, aus der sich das Sonnensystem gebildet hat. Diese Chemie kann in einigen Asteroiden beobachtet werden und ist eine Kombination aus Wasserstoff, Helium und komplexen organischen Molekülen.
Diese erste Atmosphäre hielt nicht lange an. Es bestand fast ausschließlich aus leichten Gasen und war dem Sonnenwind ausgesetzt. Zu Beginn ihrer Geschichte fehlte der Erde ein differenzierter Kern. Aus diesem Grund fehlte dem Planeten ein starkes Magnetfeld, um die von der Sonne ausgestoßenen geladenen Teilchen abzulenken. Dies, kombiniert mit der Tendenz leichter Gase, in den Weltraum zu schweben, erschöpfte die erste Atmosphäre der Erde.
Die zweite Atmosphäre bestand hauptsächlich aus Verbindungen, die von den vielen aktiven Vulkanen der Erde ausgegast wurden. Diese Atmosphäre war reich an Wasserdampf, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Schwefel und Chlor. Wasserstoff war in dieser Umgebung ebenso vorhanden wie molekularer Stickstoff. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich der Erdkern differenziert und ein starkes Magnetfeld ermöglichte die Beibehaltung einer großen Atmosphäre.
Schließlich entwickelte sich das Leben, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Molekularer Sauerstoff, der in vulkanischen Gasen nicht vorkommt, ist ein Nebenprodukt der Photosynthese und wurde vor 2 bis 2,8 Milliarden Jahren in großen Mengen freigesetzt, was zu charakteristischen Eisenbändern in Gesteinen dieser Zeit führte.
