Pământul a avut trei atmosfere, fiecare diferită ca compoziție chimică. Prima dintre atmosferele Pământului, formată când planeta era încă foarte tânără, a fost în principal hidrogen și heliu. Această atmosferă are o vechime de aproximativ 4.57 miliarde de ani și a fost de scurtă durată – căldura din crusta topită și vântul solar au disipat acest strat. Hidrogenul și heliul nu sunt suficient de grele pentru a alcătui o atmosferă stabilă, cu excepția cazului în care planeta este foarte masivă – este mai probabil ca aceste elemente să câștige viteza de evacuare în timpul fluctuațiilor termice aleatorii. Acesta este o parte din motivul pentru care hidrogenul și heliul sunt foarte rare în atmosfera Pământului astăzi.
Cu aproximativ 4.4 miliarde de ani în urmă, crusta s-a solidificat și s-au format numeroși vulcani, ejectând abur, dioxid de carbon și amoniac în cer. De-a lungul timpului, densitatea acestor gaze vulcanice a devenit suficientă pentru a forma o a doua atmosferă a Pământului, în principal din dioxid de carbon și vapori de apă. Era prezent puțin azot, dar abia oxigen liber. Aceasta este similară cu atmosfera actuală a lui Venus, care este 96.5% dioxid de carbon și 3.5% azot. Atmosfera Pământului în acest moment avea ceva în comun cu Venus – era de aproximativ 100 de ori mai densă decât este astăzi. Presiunea la suprafață ar fi fost similară cu presiunea sub 1 km (0.62 mi) de apă.
Atmosfera Pământului a început încet să se rarifice pe măsură ce dioxidul de carbon a fost dizolvat în oceane și precipitat sub formă de carbonați. Aceasta a acoperit o mare parte a Pământului cu un strat de carbon și a pregătit scena pentru viața timpurie.
Cu 3.5 miliarde de ani în urmă, viața a apărut sub formă de arhee. Cu aproximativ 2.7 miliarde de ani în urmă li s-au alăturat microbi numiți cianobacterii. Cianobacteriile au fost primele organisme fototrope producătoare de oxigen și au început încet să aspire dioxid de carbon din atmosferă și să elibereze oxigen. A fost nevoie de mult timp pentru ca cianobacteriile să înceapă cu adevărat, dar între 2.7 și 2.2 miliarde de ani, în timpul Paleoproterozoicului timpuriu, acești microbi au transformat atmosfera Pământului dintr-o atmosferă anoxică (lipsă de oxigen) într-o stare oxică (conținând oxigen). . Aceasta se numește Marea Oxidare sau, mai frecvent, Catastrofa Oxigenului.
Evenimentul de oxidare este uneori considerat o catastrofă, deoarece, pentru majoritatea formelor de viață vii la acea vreme, oxigenul era toxic. Prin urmare, Catastrofa Oxigenului a fost una dintre primele extincții majore în masă. Cu toate acestea, ca beneficiu, am primit o altă atmosferă a Pământului, cea de care avem nevoie pentru a supraviețui astăzi.