Die Erde hatte drei Atmosphären, die sich jeweils in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Die erste Atmosphäre der Erde, die gebildet wurde, als der Planet noch sehr jung war, bestand hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Diese Atmosphäre ist etwa 4.57 Milliarden Jahre alt und war kurzlebig – Wärme aus der geschmolzenen Kruste und Sonnenwind zerstreuten diese Schicht. Wasserstoff und Helium sind nicht schwer genug, um eine stabile Atmosphäre zu bilden, es sei denn, der Planet ist sehr massiv – diese Elemente gewinnen bei zufälligen thermischen Schwankungen eher an Fluchtgeschwindigkeit. Dies ist einer der Gründe, warum Wasserstoff und Helium heute in der Erdatmosphäre sehr selten sind.
Vor etwa 4.4 Milliarden Jahren verfestigte sich die Kruste und es bildeten sich zahlreiche Vulkane, die Dampf, Kohlendioxid und Ammoniak in den Himmel schleuderten. Im Laufe der Zeit reichte die Dichte dieser vulkanischen Gase aus, um eine zweite Erdatmosphäre zu bilden, die hauptsächlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht. Etwas Stickstoff war vorhanden, aber kaum freier Sauerstoff. Dies ähnelt der gegenwärtigen Atmosphäre der Venus, die zu 96.5% aus Kohlendioxid und 3.5% aus Stickstoff besteht. Die Erdatmosphäre hatte zu diesem Zeitpunkt noch etwas mit der Venus gemeinsam – sie war etwa 100-mal dichter als heute. Der Druck an der Oberfläche wäre ähnlich dem Druck unter 1 km (0.62 Meilen) Wasser gewesen.
Die Erdatmosphäre begann sich langsam zu verfeinern, als das Kohlendioxid in den Ozeanen gelöst und als Karbonate ausgefällt wurde. Dadurch wurde ein Großteil der Erde mit einer Kohlenstoffschicht überzogen und die Bühne für frühes Leben geschaffen.
Vor 3.5 Milliarden Jahren war Leben in Form von Archaeen entstanden. Vor etwa 2.7 Milliarden Jahren kamen Mikroben namens Cyanobakterien hinzu. Cyanobakterien waren die ersten sauerstoffproduzierenden phototropen Organismen und begannen langsam, Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen und Sauerstoff freizusetzen. Es hat lange gedauert, bis die Cyanobakterien wirklich angefangen haben, aber zwischen 2.7 und 2.2 Milliarden Jahren, während des frühen Paläoproterozoikums, verwandelten diese Mikroben die Erdatmosphäre von einer anoxischen (sauerstoffarmen) Atmosphäre in einen oxischen (sauerstoffhaltigen) Zustand . Dies wird die Große Oxidation oder häufiger die Sauerstoffkatastrophe genannt.
Das Oxidationsereignis wird manchmal als Katastrophe angesehen, da Sauerstoff für die meisten damals lebenden Lebensformen giftig war. Daher war die Sauerstoffkatastrophe eines der ersten großen Massensterben. Als Vorteil haben wir jedoch eine weitere Atmosphäre der Erde erhalten, die wir heute zum Überleben brauchen.