Có nhiều giả thuyết khác nhau về sự hình thành của khí quyển. Giả thuyết được nhiều nhà khoa học chấp nhận nhất cho rằng, khí quyển lúc sơ khai có thành phần rất khác với thành phần của khí quyển hiện nay và hoạt động của vi sinh vật là nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi này. Sự hình thành khí quyển gắn liền với sự hình thành và phát triển của sự sống trên Trái Đất.

Hơn một tỷ năm trước đây, núi lửa đã phun CO2, NH3 và hơi nước vào khí quyển. Các chất này được tạo thành từ CH4 và các khí khác có trong lòng đất. Sau đó, dưới tác dụng của tia tử ngoại, sấm chớp, tia phóng xạ, các chất ban đầu trong khí quyển phản ứng với nhau tạo thành các amino axit và đường. Các dạng sống đầu tiên bắt đầu xuất hiện và phát triển trong đại dương. Các dạng sống sử dụng năng lượng từ quá trình lên men chất hữu cơ, quá trình quang hợp và cuối cùng là quá trình hô hấp.

Người ta cho rằng, có thể trong khí quyển ở thời kỳ đầu cũng đã có sẵn một ít oxy để duy trì sự sống của các dạng sống sơ khai. Lượng oxy này có thể đã được tạo thành từ phản ứng phân tích hơi nước dưới tác dụng của sấm chớp hoặc bức xạ Mặt trời ở phần trên của khí quyển. Nhưng chính các loài thực vật mới là nguồn sản xuất oxy chủ yếu cho khí quyển, thông qua phản ứng quang hợp.

CO2   +  H2O + hν  →  {CH2O}  +  O2↑

Khi lượng O2 trong khí quyển gia tăng, nhiều loại thực vật phức tạp bắt đầu phát triển

mạnh. Song song với quá trình phát triển của thực vật, các loài động vật tiêu thụ O2 cũng tăng,

do đó tạo ra sự cân bằng oxy trong khí quyển.

Thành phần của khí quyển ở kỷ Cambri (khoảng 500 triệu năm trước đây) gần như tương tự với thành phần khí quyển hiện nay. Tuy vậy, thành phần của khí quyển ngày nay đang bị thay đổi. Các chất khí dễ bị biến đổi của khí quyển luôn bị đất, đá và các sinh vật hấp thụ hoặc thất thoát ra khoảng không vũ trụ.

Chu kỳ đổi mới lượng CO2 trong khí quyển là từ 4 đến 8 năm, 3000 năm đối với O2 và 100 triệu năm với N2. Chu kỳ tiêu thụ và tái tạo các chất khí trong khí quyển thể hiện một cân bằng liên quan đến đất, không khí, động và thực vật.

Lúc đầu, oxy có thể là chất khí độc hại cho các dạng sinh vật sơ khai. Tuy nhiên, lúc này, một lượng lớn O2 đã đuợc Fe(II) hấp thụ để tạo thành Fe2O3:

4Fe2+  +  O2   +4H2O →  2Fe2O3  +  8H+

Quá trình này tạo thành một lượng lớn Fe2O3  sa lắng và là bằng chứng cho sự tạo thành của O2 tự do trong khí quyển thời kỳ đầu.

Về sau, khi có hệ enzim phát triển, nhiều vi sinh vật có thể sử dụng O2 để oxy hóa các chất hữu cơ có trong đại dương.

O2 tích lũy dần trong khí quyển dẫn đến sự hình thành lớp ozon ở tầng bình lưu. Tầng ozon đóng vai trò một lớp áo giáp bảo vệ cho sinh vật trên mặt đất khỏi bị bức xạ tử ngoại gây tác hại. Cuối cùng, Trái đất trở thành một môi trường sống thân thiện hơn, sinh vật bắt đầu chuyển từ cuộc sống dưới nước trong đại dương sang cuộc sống trên cạn ở mặt đất