La atmósfera de la Tierra ha atravesado múltiples fases distintas a lo largo de su vida, desde un período temprano rico en hidrógeno hasta la moderna química oxidante. La primera atmósfera que tuvo la Tierra fue químicamente muy similar a la composición de la primitiva Nube de polvo y gas a partir de la cual se formó el sistema solar. Esta química se puede ver en algunos asteroides, y es una combinación de hidrógeno, helio y moléculas orgánicas complejas.
Ese primer ambiente no duró mucho. Estaba compuesto casi exclusivamente por gases ligeros y expuesto al viento solar. Al principio de su historia, la Tierra carecía de un núcleo diferenciado. Por esta razón, el planeta carecía de un campo magnético fuerte para desviar las partículas cargadas expulsadas por el sol. Esto, combinado con la tendencia de los gases ligeros a flotar en el espacio, agotó la primera atmósfera de la Tierra.
La segunda atmósfera estaba compuesta principalmente de compuestos que fueron desgasificados por los muchos volcanes activos de la Tierra. Esta atmósfera era rica en vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre, azufre y cloro. El hidrógeno también estaba presente en este ambiente, al igual que el nitrógeno molecular. Para entonces, el núcleo de la Tierra se había diferenciado, y un fuerte campo magnético permitía la retención de una gran atmósfera.
Finalmente, la vida evolucionó para convertir la luz solar en energía química. El oxígeno molecular, que no se encuentra en los gases volcánicos, es un subproducto de la fotosíntesis y se liberó en grandes cantidades entre hace 2 y 2.8 mil millones de años, causando formaciones de hierro en bandas características en rocas de esa edad.
