Zemei ir bijušas trīs atmosfēras, katrai no tām ir atšķirīgs ķīmiskais sastāvs. Pirmā no Zemes atmosfērām, kas izveidojās, kad planēta vēl bija ļoti jauna, galvenokārt bija ūdeņradis un hēlijs. Šī atmosfēra ir aptuveni 4.57 miljardus gadu veca, un tā bija īslaicīga – siltums no izkusušās garozas un saules vēja izkliedēja šo slāni. Ūdeņradis un hēlijs nav pietiekami smagi, lai veidotu stabilu atmosfēru, ja vien planēta nav ļoti masīva – šiem elementiem ir lielāka iespēja iegūt bēgšanas ātrumu nejaušu termisko svārstību laikā. Tas ir daļa no iemesla, kāpēc ūdeņradis un hēlijs mūsdienās ir ļoti reti sastopami Zemes atmosfērā.
Apmēram pirms 4.4 miljardiem gadu garoza sacietēja, un veidojās daudzi vulkāni, kas debesīs izmeta tvaiku, oglekļa dioksīdu un amonjaku. Laika gaitā šo vulkānisko gāzu blīvums kļuva pietiekams, lai izveidotu otro Zemes atmosfēru, galvenokārt no oglekļa dioksīda un ūdens tvaikiem. Bija nedaudz slāpekļa, bet gandrīz nebija brīva skābekļa. Tas ir līdzīgs Venēras pašreizējai atmosfērai, kurā ir 96.5% oglekļa dioksīda un 3.5% slāpekļa. Zemes atmosfērai šajā brīdī bija kas cits kopīgs ar Venēru – tā bija apmēram 100 reizes blīvāka nekā šodien. Spiediens virspusē būtu līdzīgs spiedienam zem 1 km (0.62 jūdzes) ūdens.
Zemes atmosfēra lēnām sāka retināties, jo oglekļa dioksīds tika izšķīdināts okeānos un izgulsnējās karbonātu veidā. Tas pārklāja lielu daļu Zemes ar oglekļa slāni un radīja pamatu agrīnai dzīvei.
Pirms 3.5 miljardiem gadu dzīvība bija radusies arhejas formā. Apmēram pirms 2.7 miljardiem gadu tiem pievienojās mikrobi, ko sauc par zilaļģēm. Cianobaktērijas bija pirmie fototropie organismi, kas ražo skābekli, un lēnām sāka iesūkt oglekļa dioksīdu no atmosfēras un atbrīvot skābekli. Pagāja ilgs laiks, līdz zilaļģes patiešām sāka darboties, taču no 2.7 līdz 2.2 miljardiem gadu agrīnā paleoproterozoja laikā šie mikrobi pārveidoja Zemes atmosfēru no bezskābekļa (skābekļa trūkuma) atmosfēras skābekļa (skābekli saturošā) stāvoklī. . To sauc par Lielo oksidāciju vai, biežāk, skābekļa katastrofu.
Oksidācijas notikumu dažreiz uzskata par katastrofu, jo lielākajai daļai tajā laikā dzīvojošo dzīvības formu skābeklis bija toksisks. Tāpēc skābekļa katastrofa bija viena no pirmajām lielajām masveida izmiršanas gadījumiem. Tomēr kā ieguvums mums ir vēl viena no Zemes atmosfērām, kas mums ir nepieciešama, lai izdzīvotu šodien.