Zemlja je imala tri atmosfere, od kojih je svaka različita po kemijskom sastavu. Prva Zemljina atmosfera, nastala kada je planet bio još vrlo mlad, prvenstveno je bio vodik i helij. Ova atmosfera je stara oko 4.57 milijardi godina i bila je kratkog vijeka – toplina rastaljene kore i solarni vjetar raspršili su ovaj sloj. Vodik i helij nisu dovoljno teški da bi stvorili stabilnu atmosferu osim ako planet nije vrlo masivan – vjerojatnije je da će ovi elementi dobiti brzinu bijega tijekom slučajnih toplinskih fluktuacija. To je dio razloga zašto su vodik i helij danas vrlo rijetki u Zemljinoj atmosferi.
Prije oko 4.4 milijarde godina, kora se učvrstila i nastali su brojni vulkani koji su izbacivali paru, ugljični dioksid i amonijak u nebo. S vremenom je gustoća ovih vulkanskih plinova postala dovoljna za stvaranje druge Zemljine atmosfere, prvenstveno od ugljičnog dioksida i vodene pare. Bilo je prisutno nešto dušika, ali malo slobodnog kisika. Ovo je slično Venerinoj sadašnjoj atmosferi, koja se sastoji od 96.5% ugljičnog dioksida i 3.5% dušika. Zemljina atmosfera u ovom trenutku imala je još nešto zajedničko s Venerom – bila je oko 100 puta gušća nego danas. Tlak na površini bio bi sličan tlaku ispod 1 km (0.62 mi) vode.
Zemljina se atmosfera polako počela razrjeđivati kako se ugljični dioksid otapao u oceanima i taložio u obliku karbonata. To je prekrivalo veći dio Zemlje slojem ugljika i postavilo pozornicu za rani život.
Prije 3.5 milijardi godina pojavio se život u obliku arheja. Prije oko 2.7 milijardi godina pridružili su im se mikrobi zvani cijanobakterije. Cijanobakterije su bile prvi fototropni organizmi koji su proizvodili kisik, te su polako počele usisati ugljični dioksid iz atmosfere i otpuštati kisik. Trebalo je dugo vremena da cijanobakterija zaista počne, ali između 2.7 i 2.2 milijarde godina, tijekom ranog paleoproterozoika, ovi mikrobi su pretvorili Zemljinu atmosferu iz anoksične (bez kisika) atmosfere u oksično stanje (koji sadrži kisik). . To se zove velika oksidacija ili, češće, kisikova katastrofa.
Događaj oksidacije ponekad se smatra katastrofom jer je kisik bio toksičan za većinu oblika života koji su tada živjeli. Stoga je kisikova katastrofa bila jedno od prvih velikih masovnih izumiranja. Međutim, kao dobrobit dobili smo još jednu Zemljinu atmosferu, onu koja nam je danas potrebna da preživimo.