Atmosfera Ziemi nie zawsze wyglądała tak samo. Jej skład chemiczny ulegał wielu zmianom od początku istnienia Ziemi, która liczy sobie już 4,55 miliarda lat. Pierwotna atmosfera nie zawierała wcale tlenu, którym oddychamy współcześnie - składała się głównie z helu (He) i wodoru (H₂). Z czasem nagromadziły się w niej też duże ilości pary wodnej (H₂O) dwutlenku węgla (CO₂) i amoniaku (NH₃). Gazy te wydobywały się ze stygnącej lawy. Kiedy skorupa Ziemi stygła, skład atmosfery wciąż ulegał zmianom. Po ostygnięciu skorupy do temperatury poniżej 100^oC część pary wodnej uległa skropleniu i opadła na Ziemię w postaci deszczu.
        Około 4 miliardów lat temu atmosfera składała się głównie z azotu (N₂), dwutlenku węgla i metanu (CH₄). Rozwijające się życie na naszej planecie wprowadziło rewolucyjne zmiany w składzie chemicznym atmosfery: zniknął dwutlenek węgla a pojawił się tlen (O₂). Jego ilość w atmosferze sukcesywnie wzrastała osiągając poziom bliski 21 % (obecne stężenie) około 500 milionów lat temu.