Lịch sử của bầu khí quyển Trái Đất trong thời gian một tỷ năm trước đây vẫn chưa được hiểu rõ lắm. Hiện nay bầu khí quyển Trái Đất vẫn là một đề tài nghiên cứu của các nhà khoa học.

Bầu khí quyển ngày nay đôi khi vẫn được gọi là "bầu khí quyển thứ ba" trong sự so sánh về thành phần hóa học so với hai bầu khí quyển trước đây. Bầu khí quyển nguyên thủy chủ yếu là heli và hiđrô; nhiệt (từ lớp vỏ Trái Đất khi đó vẫn nóng chảy và từ Mặt Trời) đã làm tiêu tan bầu khí quyển này.

Khoảng 3,5 tỷ năm trước, bề mặt Trái Đất nguội dần đi để tạo thành lớp vỏ, chủ yếu là các núi lửa phun trào nham thạch, điôxít cacbon và amôniắc. Đây là "bầu khí quyển thứ hai"; nó chứa chủ yếu là CO2 và hơi nước, với một ít nitơ nhưng vẫn chưa có ôxy. Bầu khí quyển thứ hai này có thể tích khoảng ~100 lần khí quyển hiện nay. Nhìn chung, người ta tin rằng hiệu ứng nhà kính, sinh ra bởi mật độ cao của điôxít cacbon đã giữ cho Trái Đất không bị đóng băng.

Trong vài tỷ năm tiếp theo, hơi nước ngưng tụ để tạo thành mưa và các đại dương để hòa tan điôxít cacbon. Khoảng 50% điôxít cacbon có lẽ đã bị hấp thụ bởi các đại dương. Một trong những dạng vi khuẩn có mặt sớm nhất trên Trái Đất là vi khuẩn lam. Các chứng cứ hóa thạch đã chỉ ra rằng các vi khuẩn này có mặt khoảng 3,3 tỷ năm trước và là những sinh vật sinh sống bằng quang hợp để sản xuất ra ôxy. Chúng là những sinh vật đầu tiên chuyển đổi khí quyển từ trạng thái không ôxy sang trạng thái có ôxy.

Cây cối quang hợp tạo ra nhiều sự tiến hóa và chuyển đổi được nhiều hơn điôxít cacbon thành ôxy. Theo thời gian, lượng cacbon dư thừa tạo thành các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày nay cũng như đá trầm tích nhất là đá vôi và các lớp động vật. Ôxy được giải phóng tương tác với amôniắc để tạo ra nitơ; ngoài ra vi khuẩn cũng có thể chuyển đổi amôniắc thành nitơ.

Khi cây cối xuất hiện nhiều hơn thì lượng ôxy tăng lên một cách đáng kể (trong khi lượng điôxít cacbon giảm đi). Đầu tiên ôxy tương tác với các nguyên tố khác như sắt chẳng hạn, nhưng cuối cùng chúng tích tụ trong khí quyển — là kết quả của sự tiêu hủy hàng loạt cũng như các tiến hóa trong một thời gian dài. Với sự xuất hiện của lớp ôzôn, các loại hình sinh vật sống được bảo vệ tốt hơn trước bức xạ tử ngoại. Bầu khí quyển chứa ôxy-nitơ này là "bầu khí quyển thứ ba".