L'atmosphère terrestre a traversé de multiples phases distinctes tout au long de sa vie, d'une première période riche en hydrogène à la chimie oxydante moderne. La première atmosphère que la Terre avait était chimiquement très similaire à la composition de la nuage de poussière et de gaz à partir duquel le système solaire s'est formé. Cette chimie peut être observée dans certains astéroïdes, et c'est une combinaison d'hydrogène, d'hélium et de molécules organiques complexes.
Cette première atmosphère n'a pas duré longtemps. Il était composé presque exclusivement de gaz légers et exposé au vent solaire. Au début de son histoire, la Terre manquait d'un noyau différencié. Pour cette raison, la planète manquait d'un champ magnétique puissant pour dévier les particules chargées éjectées par le Soleil. Ceci, combiné à la tendance des gaz légers à s'envoler dans l'espace, a appauvri la première atmosphère de la Terre.
La deuxième atmosphère était composée principalement de composés dégazés par les nombreux volcans actifs de la Terre. Cette atmosphère était riche en vapeur d'eau, en dioxyde de carbone, en dioxyde de soufre, en soufre et en chlore. L'hydrogène était également présent dans cet environnement, tout comme l'azote moléculaire. À cette époque, le noyau de la Terre s'était différencié et un champ magnétique puissant permettait la rétention d'une grande atmosphère.
Finalement, la vie a évolué pour convertir la lumière du soleil en énergie chimique. L'oxygène moléculaire, qui ne se trouve pas dans les gaz volcaniques, est un sous-produit de la photosynthèse et a été libéré en grande quantité il y a entre 2 et 2,8 milliards d'années, provoquant des formations de fer rubané caractéristiques dans les roches de cet âge.
