地球早期的大气层与现今的大气层完全不相同，富含火山喷发气体，例如二氧化碳。部分地球大气可能源于太阳系之外。[1]现在的大气层只含有极少量的二氧化碳，而富含氧气。其改变原因是早期的生命形式——微生物体吸入二氧化碳而排出氧气。这些微生物聚集在一起合称为蓝绿藻，依靠光合作用制造能量，它们与早期那些制造氧气的有机体极为类似。
原始大气
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主条目：古大气层
地球初期的大气层主要是一些在地球形成过程中被吸积的太阳星云气体，其成分主要是氢气（H2）、氦气（He）和一些简单的氢化物，比如水（H2O）、甲烷（CH4）和氨（NH3），与现今的气态巨行星（木星和土星）相似，但氢气和氦气因其分子量太轻无法被地球重力束缚通常会随时逃逸到外太空。
1953年，哈罗德·尤里和史丹利·米勒完成生命起源的经典实验米勒-尤里实验，发现将甲烷、氨、氢和水的混合经过放电后，会变成许多的有机化合物，包括生命必需的成份——氨基酸。
早期大气
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在冥古宙晚期，因为地表冷却固化后形成岩层地壳阻隔了大量地热能，加上当时太阳辐射较弱（据估计只有现在强度的70%），大气层也随即冷却，气温降低使得空气中的水蒸气大多凝结落下变成液态的地表水（在当时是一个超级海洋）。进入太古宙后，火山释气和后期重轰炸期大量小行星撞击地表为大气层中新注入了大量的水、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）和各种惰性气体（主要是氖、氩和氪），而二氧化硫比二氧化碳更容易溶解在水中变成溶液，因此大气中主要剩下的是氮气、二氧化碳、甲烷和氨气以及少量由甲烷与氨气发生反应产生的氰化氢（HCN）。因为这时地表、海洋和大气中都存在大量可以迅速被氧化的还原剂物质，大气层和海洋中都几乎没有任何游离态的氧气（因为随时会被还原移除），所以也被称作“还原性大气”（reducing atmosphere）或“有生物前的大气”（prebiotic atmosphere）。
现今大气
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大气水气分布图（平均值）
参见：氧气地质历史、大氧化事件、新元古代氧化事件和志留纪—泥盆纪陆地革命
在约37亿年前的古太古代，已知最古老的生命在深海热泉附近出现，在当时主要利用化合作用获取能量。之后出现了可以通过紫膜质（视黄醛衍生物）或菌绿素（卟啉衍生物）进行不产氧光合作用的古菌和细菌，使得这些早期微生物的菌毯得以扩展到远离深海的浅海和潮间带。在约35亿年前，能够利用叶绿素光解水分子进行产氧光合作用的蓝绿菌出现，并在之后近十亿年间不断释放双氧这个活性极强的副产物，最终耗尽了地表所有的还原剂（包括亚铁、硫、硫化氢和甲烷等）后使得游离态的氧气首次长期出现在海洋和空气中。氧气的出现一方面不利于当时以厌氧菌为主的生物圈，另一方面因为大气甲烷被大量氧化成二氧化碳使得温室效应锐减（甲烷的全球变暖潜势约为84，即作为温室气体比二氧化碳强84倍），加上当时太阳辐射较弱和地热活动可能恰好处于低谷期，使得全球气温骤降进入了一个长达三亿年的大冰期——休伦大冰期。这极端的气候变化也很可能造成了生命史上最严重的一次集群灭绝（虽然是原核微生物），但也因为环境选择压力的改变导致了好氧菌和真核生物的演化。在休伦冰期终于消退后，地球在元古宙中期进入了一个演化速度较慢的“无聊十亿年”，这期间大气和海洋中虽有游离氧气但浓度很低（只有现今水平的1～2%），反而有毒的硫化物很多。
在“无聊十亿年”结束后，演化出固氮能力的蓝绿菌和更能适应多变环境的真核光养生物（特别是绿藻、红藻和灰藻等原始质体生物）重新出现繁盛并大量产生新的氧气，这大规模的光合固碳活动大大降低了二氧化碳的温室效应，结合地质活动一起在新元古代 再次引发了一个历时一亿年的全球性大冰期——成冰纪的雪球地球事件。而氧气浓度的骤增（至少达到现今水平的10%）也使其三原子同素异构体——臭氧也得以长期存在并在平流层形成了对地表有辐射保护的臭氧层。这使得生物圈在成冰纪大冰期退却后的埃迪卡拉纪得以出现目前所知最早的复杂多细胞生物演化辐射事件——阿瓦隆大爆发。
在进入显生宙后，由被内陆地表水体的水位波动留在河岸带的淡水绿藻（轮藻）演化出的早期有胚植物（主要是非维管的苔藓植物）在奥陶纪开始登上陆地长期定殖，在志留纪和泥盆纪出现维管植物的迅速辐射并在之后的石炭纪形成茂密的湿地煤炭森林。这些可以充分利用阳光直接照射的陆生植物的繁盛使得大气层的氧气浓度首次超过10%（现今水平的一半），甚至在石炭纪达到了远高于现今水平的35%，也为之后陆生动物的登陆和陆地生态系统的繁盛创造了条件。
现今大气层的主要成份为氮和氧，两者占了空气摩尔浓度的99%，剩下的不足1%的成份为氩、水蒸气、二氧化碳以及各种稀薄气体。水蒸气和二氧化碳的组成比率会因时、地和气候不同而有所差异，其中近年来因为人类砍伐森林和工业化对化石能源的燃烧使用导致二氧化碳变动率最大。大气不是密度均匀，是以海平面的密度最大，往上密度逐降，大气约50％集中在海拔5.6千米（18,000英尺）内，约80％集中在海拔13千米（43,000英尺）以内。
现今大气成分
气体
占有量（体积比）
对生物的好处
氮气（N2）
78.084 %
可通过闪电和微生物固氮为植物提供生产氨基酸必需的铵和硝酸盐，以维持其生长
氧气（O2）
20.946 %
真核生物呼吸作用的原料，还可氧化助燃
氩气（Ar）
0.934 %
二氧化碳（CO2）
0.0398 %
光合作用原料，产生温室效应
氖气（Ne）
0.001818 %
氦气（He）
0.000524 % = 5.24 ppm
甲烷（CH4）
0.000179 % = 1.79 ppm
产生温室效应
氪气（Kr）
0.000114 % = 1.14 ppm
氢气（H2）
0.000055 % = 0.55 ppm
一氧化二氮（N2O）
0.0000325 % = 0.325 ppm
一氧化碳（CO）
0.00001 % = 0.10 ppm
氙气（Xe）
0.000009 % = 0.09 ppm
臭氧（O3）
0.000004 % = 0.04 ppm
直接接触会危害人的身体健康，但在高空臭氧层中可抵挡对生物有害的紫外线电离辐射
二氧化氮（NO2）
0.000002 % = 0.02 ppm
碘气（I2）
0.000001 % = 0.01 ppm
氨气（NH3）
-
水蒸气（H2O）
0 % ~ 4 %
形成天气现象并维持水循环，也可产生温室效应