Формирование атмосферы Земли началось при возникновении нашей планеты. Такие геологические процессы как, например, вулканическая деятельность, происходили с извержением газов из глубин Земли в атмосферу. В состав газов входили азот N2, аммиак NH3, метан CH4, водяной пар H2O, оксид СО и диоксид углерода СО2. Под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения водяной пар распадался на водород и кислород, однако свободный кислород реагировал с оксидом углерода с формированием CO2. Аммиак распадался на азот и водород. Водород в результате диффузии из-за своей небольшой массы поднимался вверх и улетал в космос, а более тяжелый азот не мог улететь и постепенно накапливался, становясь основным компонентом. Молекула азота очень инертная, тяжело разорвать тройную связь между атомами, поэтому азот неохотно вступал в химические реакции. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С возникновением самых первых зеленых растений начал происходить процесс фотосинтеза, который сопровождался выделением кислорода. Данный газ, особенно после перехода в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и земную поверхность от губительных для УФ и рентгеновского излучений.
Исходя из всего вышесказанного, первичная земная атмосфера состояла из CH4, CO и CO2, NH3, SO2, H2S и других газов. Различные первые земные водоросли начали окислять метан и оксид углерода (II) в углекислый газ, а аммиак – в молекулярный азот. Кислород образовался одновременно с первыми хлорофилловыми организмами. В ходе фотосинтеза концентрация углекислого газа падала, а кислорода – возрастала. Фиксация азота в химических соединениях происходила в природе в ходе синтеза в атмосфере под воздействием грозовых разрядов и солнечной радиации, а также в почве в результате жизнедеятельности особого вида бактерий.
В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов (78,09% N2; 20,95% O2; 0,93% Ar; 0,03% CO2) и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением Н2О и СО2.