Свыше 3 млрд. лет назад атмосфера была азотно-аммиачно-углекислой. В небольших количествах в ней находились пары соляной кислоты, фтористого водорода, серы и др. Первичная атмосфера была тонкой и легко пронизывалась солнечными и космическими лучами.
Снижение температуры земной поверхности дало возможность конденсации водяного пара. Образовавшаяся вода постепенно заполнила наиболее низкие участки земной поверхности. В водах молодого океана постепенно растворялись находившиеся в больших количествах в воздухе углекислый газ, сера и ее соединения, аммиак и кислоты. В атмосферу и гидросферу из недр Земли во время вулканических извержений продолжали поступать газообразные соединения.
Около 2,5 млрд. лет назад атмосфера стала углекисло-азотистой. По сравнению с более ранними периодами в атмосфере стало неуклонно снижаться количество углекислого газа, метана, аммиака и соединений серы. Начался медленный рост свободного азота в атмосфере с одновременным снижением общего количества углекислого газа. Жизнь в такой атмосфере была очень сложной и неблагоприятной. Поэтому в отложениях этого возраста, кроме бактерий и одноклеточных организмов, другие ископаемые остатки неизвестны.
Предполагается, что свободный кислород, выделяющийся из мантии, до атмосферы не успевал дойти, так как часть его расходовалась на окисление металлов и их соединений, а оставшаяся часть поглощалась водами Мирового океана. Около 1,2—1,5 млрд. лет назад в атмосфере наконец появился свободный кислород. Но его было ничтожно мало, всего одна тысячная часть от современного уровня. Но даже столь незначительное количество кислорода создало предпосылки для появления организмов.
Критическим уровнем содержания свободного кислорода с биологической точки зрения является так называемая точка Пастера. Когда содержание кислорода в атмосфере достигло одной сотой части от современного уровня, организмы от анаэробного брожения стали пользоваться окислением, которое оказалось более эффективным. Это произошло около 600 млн. лет назад, и этот рубеж учеными довольно часто сравнивается с гигантским биологическим взрывом. В это время почти одновременно на всей Земле возникли и получили широкое распространение разнообразные и весьма многочисленные животные — морские беспозвоночные.
С течением времени в атмосфере количество кислорода стало расти. Увеличивается содержание азота, а количество углекислоты катастрофически падает. Углекислый газ из атмосферы и гидросферы стал удаляться как биологическим путем, расходуясь главным образом на построение скелетов морских беспозвоночных, так и благодаря соединению с окислами магния и кальция. В пределах морских бассейнов стали отлагаться в это время огромные объемы карбонатных пород. Начиная с 500 млн. лет атмосфера стала углекисло-кислородно-азотной.
В архее (4,6—2,6 млрд. лет назад), а возможно, в начале протерозоя (2,6 млрд. — 570 млн. лет назад) объем воды был небольшим и первичные океаны даже не перекрывали срединно-океанические хребты, затопляя лишь наиболее пониженные участки. В это время вода была пресной, но довольно быстро соленость ее достигла современных значений. Предполагаются два источника возможного привноса в воды Мирового океана растворимых соединений. С одной стороны, это растворимые в воде атмосферные газы, а с другой — соли, растворимые сложные химические соединения и отдельные химические элементы, входящие в состав горных пород.
Перешедшие из атмосферы в воды Мирового океана углекислый газ, кислоты, сероводород и аммиак привели к повышению кислотности природных вод. В результате воздействия агрессивных вод стали разрушаться вулканогенные породы, обнажающиеся на земной поверхности. Из них стали выноситься легкорастворимые щелочные и щелочно-земельные элементы. С течением времени кислотность океанских вод снижается и устанавливается кислотно-щелочное равновесие.
Со времени своего возникновения атмосфера и гидросфера претерпели сложные изменения. В то время как количество азота и ряда других газов в течение почти 600 млн. лет истории Земли практически не изменялось, общее количество кислорода и углекислого газа, т. е. газов, от которых зависит развитие живого вещества, то уменьшалось, то увеличивалось.
После возникновения свободного кислорода в атмосфере появилась общая тенденция к его увеличению, что, в свою очередь, является доказательством продолжающихся процессов на границе мантии и земного ядра. Первое значительное повышение общего количества кислорода произошло 350—380 млн. лет назад. До этого времени кислорода в атмосфере было примерно в 2 раза меньше современного. Затем довольно быстро его содержание достигло 20%. В дальнейшем количества свободного кислорода в атмосфере стало не хватать, и оно стало уменьшаться. Около 220— 200 млн. лет назад в атмосфере находилась всего одна четвертая часть от современного количества кислорода. Второе резкое повышение массы кислорода произошло в период между 180— 100 млн. лет назад, когда концентрация кислорода почти в 1,5 раза превышала его нынешнюю величину.