Bầu khí quyển của Trái đất đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau trong suốt cuộc đời của nó, từ thời kỳ sơ khai giàu hydro đến quá trình hóa học oxy hóa hiện đại. Bầu khí quyển đầu tiên mà Trái đất có về mặt hóa học rất giống với thành phần của nguyên sinh bụi và đám mây khí mà từ đó hệ mặt trời hình thành. Hóa chất này có thể được nhìn thấy trong một số tiểu hành tinh và nó là sự kết hợp của hydro, heli và các phân tử hữu cơ phức tạp.
Bầu không khí đầu tiên đó không kéo dài lâu. Nó được cấu tạo hầu như chỉ gồm các loại khí nhẹ và tiếp xúc với gió mặt trời. Trong lịch sử của nó, Trái đất không có một lõi khác biệt. Vì lý do này, hành tinh này thiếu từ trường mạnh để làm chệch hướng các hạt mang điện do Mặt trời phóng ra. Điều này, kết hợp với xu hướng các khí nhẹ bay ra ngoài không gian, đã làm cạn kiệt bầu khí quyển đầu tiên của Trái đất.
Bầu khí quyển thứ hai được cấu tạo chủ yếu bởi các hợp chất được thải ra bởi nhiều núi lửa đang hoạt động của Trái đất. Bầu khí quyển này chứa nhiều hơi nước, carbon dioxide, sulfur dioxide, lưu huỳnh và clo. Hydro cũng có trong môi trường này, cũng như nitơ phân tử. Vào thời điểm này, lõi Trái đất đã phân hóa và từ trường mạnh cho phép giữ lại một bầu khí quyển lớn.
Cuối cùng, sự sống đã phát triển để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học. Oxy phân tử, không có trong khí núi lửa, là sản phẩm phụ của quá trình quang hợp và được giải phóng một lượng lớn từ 2 đến 2,8 tỷ năm trước, gây ra các thành tạo sắt dạng dải đặc trưng trong các loại đá có tuổi đời đó.
