Jorden har haft tre atmosfärer, var och en olika i kemisk sammansättning. Den första av jordens atmosfärer, som bildades när planeten fortfarande var mycket ung, var främst väte och helium. Den här atmosfären är cirka 4.57 miljarder år gammal och var kortlivad – värme från den smälta skorpan och solvinden skingrade detta lager. Väte och helium är inte tillräckligt tunga för att utgöra en stabil atmosfär såvida inte planeten är väldigt massiv – dessa grundämnen är mer benägna att få flykthastighet under slumpmässiga termiska fluktuationer. Detta är en del av anledningen till att väte och helium är mycket sällsynta i jordens atmosfär idag.
För cirka 4.4 miljarder år sedan stelnade skorpan och många vulkaner bildades som sprutade ut ånga, koldioxid och ammoniak till himlen. Med tiden blev tätheten hos dessa vulkaniska gaser tillräcklig för att bilda en andra jordens atmosfär, främst av koldioxid och vattenånga. En del kväve fanns, men knappt något fritt syre. Detta liknar Venus nuvarande atmosfär, som består av 96.5 % koldioxid och 3.5 % kväve. Jordens atmosfär hade vid denna tidpunkt något annat gemensamt med Venus – den var ungefär 100 gånger tätare än den är idag. Trycket vid ytan skulle ha varit liknande trycket under 1 km (0.62 mi) vatten.
Jordens atmosfär började sakta att förökas när koldioxiden löstes upp i haven och fälldes ut som karbonater. Detta täckte mycket av jorden i ett lager av kol och satte scenen för tidigt liv.
För 3.5 miljarder år sedan hade liv uppstått, i form av arkéer. För cirka 2.7 miljarder år sedan fick de sällskap av mikrober som kallas cyanobakterier. Cyanobakterier var de första syreproducerande fototropa organismerna och började sakta suga in koldioxid från atmosfären och frigöra syre. Det tog lång tid för cyanobakterierna att komma igång på riktigt, men mellan 2.7 och 2.2 miljarder år, under den tidiga paleoproterozoiken, omvandlade dessa mikrober jordens atmosfär från en anoxisk (syrelös) atmosfär till ett oxiskt (syreinnehållande) tillstånd . Detta kallas den stora oxidationen eller, mer vanligt, syrekatastrofen.
Oxidationshändelsen anses ibland vara en katastrof eftersom syre var giftigt för de flesta livsformer som levde vid den tiden. Därför var syrekatastrofen en av de första stora massutdöendena. Men som en fördel fick vi en annan av jordens atmosfärer, den vi behöver för att överleva idag.