Zemlja je imela tri atmosfere, od katerih je vsaka drugačna po kemični sestavi. Prva zemeljska atmosfera, ki je nastala, ko je bil planet še zelo mlad, sta bila predvsem vodik in helij. To ozračje je staro približno 4.57 milijarde let in je bilo kratkotrajno – toplota iz staljene skorje in sončnega vetra sta to plast razpršila. Vodik in helij nista dovolj težka, da bi sestavljala stabilno atmosfero, razen če je planet zelo masiven – pri teh elementih je večja verjetnost, da bodo med naključnimi toplotnimi nihanji pridobili hitrost ubežanja. To je del razloga, zakaj sta vodik in helij danes v Zemljini atmosferi zelo redka.
Pred približno 4.4 milijarde let se je skorja strdila in nastali so številni vulkani, ki so v nebo izstrelili paro, ogljikov dioksid in amoniak. Sčasoma je gostota teh vulkanskih plinov postala zadostna za nastanek druge Zemljine atmosfere, predvsem ogljikovega dioksida in vodne pare. Prisotnega je bilo nekaj dušika, a prostega kisika komajda. To je podobno trenutni atmosferi Venere, ki je 96.5 % ogljikovega dioksida in 3.5 % dušika. Zemljino ozračje je na tej točki imelo še nekaj skupnega z Venero – bilo je približno 100-krat gostejše kot danes. Tlak na površini bi bil podoben tlaku pod 1 km (0.62 milje) vode.
Zemljino ozračje se je počasi začelo redčiti, saj se je ogljikov dioksid raztopil v oceanih in se oboril kot karbonati. To je prekrivalo velik del Zemlje s plastjo ogljika in postavilo temelje za zgodnje življenje.
Pred 3.5 milijardami let se je pojavilo življenje v obliki arhej. Pred približno 2.7 milijardami let so se jim pridružili mikrobi, imenovani cianobakterije. Cianobakterije so bile prvi fototropni organizmi, ki proizvajajo kisik, in so počasi začele sesati ogljikov dioksid iz ozračja in sproščati kisik. Trajalo je veliko časa, da so se cianobakterije zares začele, toda med 2.7 in 2.2 milijarde let, v zgodnjem paleoproterozoju, so ti mikrobi zemeljsko atmosfero pretvorili iz anoksične atmosfere (brez kisika) v stanje kisika (ki vsebuje kisik). . To se imenuje velika oksidacija ali, bolj pogosto, kisikova katastrofa.
Oksidacijski dogodek se včasih šteje za katastrofo, ker je bil kisik strupen za večino takrat živih oblik življenja. Zato je bila kisikova katastrofa eno prvih večjih množičnih izumrtij. Vendar smo kot korist dobili še eno Zemljino atmosfero, tisto, ki jo potrebujemo za preživetje danes.