Žemė turėjo tris atmosferas, kurių kiekviena skiriasi chemine sudėtimi. Pirmoji Žemės atmosfera, susidariusi, kai planeta dar buvo labai jauna, daugiausia buvo vandenilis ir helis. Ši atmosfera yra maždaug 4.57 milijardo metų senumo ir buvo trumpalaikė – išlydytos plutos ir saulės vėjo šiluma šį sluoksnį išsklaidė. Vandenilis ir helis nėra pakankamai sunkūs, kad sudarytų stabilią atmosferą, nebent planeta būtų labai masyvi – šie elementai labiau linkę įgauti pabėgimo greitį atsitiktinių šiluminių svyravimų metu. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl vandenilis ir helis šiandien yra labai reti Žemės atmosferoje.
Maždaug prieš 4.4 milijardo metų pluta sustingo ir susiformavo daugybė ugnikalnių, kurie į dangų išmetė garus, anglies dioksidą ir amoniaką. Laikui bėgant šių vulkaninių dujų tankis tapo pakankamas, kad susidarytų antra Žemės atmosfera, daugiausia iš anglies dioksido ir vandens garų. Buvo šiek tiek azoto, bet beveik nebuvo laisvo deguonies. Tai panašu į dabartinę Veneros atmosferą, kurioje 96.5% anglies dioksido ir 3.5% azoto. Šiuo metu Žemės atmosfera turėjo dar ką nors bendro su Venera – ji buvo maždaug 100 kartų tankesnė nei šiandien. Slėgis paviršiuje būtų panašus į slėgį po 1 km (0.62 mylios) vandens.
Žemės atmosfera pamažu pradėjo retėti, nes anglies dioksidas ištirpo vandenynuose ir iškrito karbonatų pavidalu. Tai padengė didžiąją dalį Žemės anglies sluoksniu ir sukūrė pradinį gyvenimą.
Prieš 3.5 milijardo metų gyvybė atsirado archejų pavidalu. Maždaug prieš 2.7 milijardo metų prie jų prisijungė mikrobai, vadinami cianobakterijomis. Melsvabakterijos buvo pirmieji deguonį gaminantys fototropiniai organizmai ir pamažu pradėjo siurbti iš atmosferos anglies dioksidą ir išskirti deguonį. Prireikė daug laiko, kol cianobakterijos iš tikrųjų pradėjo atsirasti, tačiau nuo 2.7 iki 2.2 milijardo metų, ankstyvojo paleoproterozojaus laikotarpiu, šie mikrobai pavertė Žemės atmosferą iš beanoksinės (deguonies neturinčios) į deguonies būseną. . Tai vadinama didžiąja oksidacija arba, dažniau, deguonies katastrofa.
Oksidacijos įvykis kartais laikomas katastrofa, nes daugumai tuo metu gyvų gyvybės formų deguonis buvo toksiškas. Todėl deguonies katastrofa buvo vienas pirmųjų didelių masinių išnykimų. Tačiau kaip naudą gavome dar vieną Žemės atmosferą, tokią, kurios mums reikia šiandien.