Die dünne Luftschicht um unseren Planeten besteht heute hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff. Die beiden Gase sind in Atmosphären anderer Planeten des Sonnensystems nicht oder nur in geringen Mengen vorhanden. Diese Zusammensetzung ist also nicht selbstverständlich und war auch auf unserem Planeten nicht immer so.
Vor mehr als 4.5 Milliarden Jahren entstand die Erde aus einer kosmischen Gas- und Staubwolke. Aus Wasserstoff und Helium bildete sich die Uratmosphäre. Sie enthielt keinen Sauerstoff.
Die Uratmosphäre hielt allerdings – in geologischen Massstäben betrachtet – nicht lange. Da Wasserstoff und Helium die leichtesten aller chemischen Elemente sind, wurden sie durch die kräftigen Sonnenwinde leicht weggeblasen. Die Anziehungskraft der Erde war noch zu gering.
Die junge Erde war anfangs heiss und weitgehend zähflüssig aufgrund von sehr häufigen Meteoriteneinschlägen. Durch starken Vulkanismus konnten die flüchtigsten Bestandteile (Gase) aus dem Inneren des Planeten entweichen.
Die Anziehungskraft der Erde war irgendwann einmal genügend gross, um Gasbestandteile zu halten. Die so entstandene Atmosphäre bestand hauptsächlich aus Wasserdampf, Kohlendioxid, Stickstoff, Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Von atembarem Sauerstoff fehlte weiterhin jede Spur. Da die Erde noch viel zu heiss war, kam das Wasser hauptsächlich im gasförmigem Zustand vor. Ozeane konnten sich noch keine bilden.
Etwa vor 3.5 bis 2.5 Milliarden Jahren war die Erde soweit abgekühlt, dass das Wasser in flüssigem Zustand vorkommen konnte. Es sammelte sich im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren langsam auf der Erdoberfläche in Ozeanen. Da der Regen das Kohlendioxid und den Schwefel aus der Atmosphäre wusch (saurer Regen), blieb vor allem Stickstoff in der Atmosphäre zurück.
Im Wasser entstanden erste Organismen (Cyanobakterien). Diese begannen mit Hilfe des Sonnenlichts Photosynthese zu betreiben. Dabei stellten sie aus Wasser und Kohlendioxid Zucker her. Als «Abfallprodukt» der Photosynthese entstand Sauerstoff.
Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren reicherten sich zuerst die Ozeane, später auch die Atmosphäre mit Sauerstoff an. Da Sauerstoff sehr reaktiv ist, verband er sich rasch mit anderen Elementen (Oxidation). Der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre war dadurch noch gering.
Mit weit vorgeschrittener Oxidation und wachsender Pflanzenwelt reicherte sich die Atmosphäre weiter mit Sauerstoff an. Lebewesen, die den Sauerstoff einatmeten, produzierten bei der Ausatmung Kohlendioxid. Dieser wurde von den Pflanzen aufgenommen, die dann ihrerseits wiederum Sauerstoff in die Atmosphäre abgaben (Photosynthese). Lebewesen und die Erdatmosphäre beeinflussten sich somit gegenseitig und bestimmten damit die Entwicklung der Atmosphäre.
Im Laufe der Zeit verlor die Atmosphäre also einerseits Kohlendioxid und Wasserdampf und reicherte sich andererseits mit Sauerstoff an. Vor etwa 500 Millionen Jahren entsprach der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre etwa demjenigen von heute. Und vor rund 200 Millionen Jahren setzte sich die Atmosphäre allmählich etwa so zusammen wie heute:
Der Zwillingsplanet der Erde, die Venus, deren ursprüngliche Zusammensetzung der Erde sehr ähnlich war, hat einen anderen Weg eingeschlagen. Die Venus verfügt weder über Ozeane, in denen sich das Kohlendioxid auflösen konnte, noch über lebende Organismen, die es in Sauerstoff und Kohlenstoffverbindungen hätten umwandeln können. So besteht heute die Atmosphäre der Venus zu ca. 96 % aus Kohlendioxid und zu etwa 4 % aus Stickstoff.