大气圈在地球形成的最初阶段就可能存在，由于这一阶段的地质记录不清，只能通过天体地质情况的类比来获得信息。这时的大气圈可能比较稀薄，主要由原始星云残留的H，He等元素组成。由于它们密度小，大部分逃离了地球的引力或者结合在矿物的晶格中，所以最初的大气圈存在时间并不长。
地球的早期增热与排气活动（如火山活动）是初始大气圈的主要来源，同时也使大气圈产生了重要的变化。大气圈在冥古宙中-晚期至太古宙时均可能以H2 O（水汽）和CO2 为主，其次为N2，HCl，HF，NH3，CH4，H2 S。许多科学家对古老岩石的气体包裹体进行了研究，以便了解地球发展早期的大气成分。M.Schidlowski（1983）估计早期大气圈中80%为水汽，10%为CO2，5%～7%为H2 S，0.5%～1%为CO 和H，还有HF，HCl，CH4 等。S.G.Neruchev（1977）估计早期大气圈中CO2 占98.8%，N2 占1.1%（未考虑水汽）。认为当时大气压力约7 MPa（大致相当于现在大气压力的70 倍），考虑到CO2 溶于水的部分，压力可能达到5～6 MPa。V.I.Kazansky（1972）领导的科研组对35亿年前的石英岩进行气体包裹体研究，证明包体中CO2 占60%，H2 S，HCl，HF等占35%。
总之，早期大气缺氧，以CO2，H2 O为主，其次为酸性气体。由于CO2 和H2 O的温室效应，当时的大气温度较高，热雨频繁。据L.P.Knaut和S.Epstein（1976）估计，当时的地表温度约为70 ℃，海水的温度更高，由于当时大气压力高（以7 MPa计算），水的沸点可达260 °～285 ℃。
太古宙大气中游离氧没有或很少，据估算太古宙末期大气中的氧气仅占 5.5%（Kazansky，1973）。太古宙时期的少量氧含量可能主要与上层大气中的H2O受紫外线照射分解有关。太古宙已有生物存在，主要为自养的原核细胞生物。生物的光合作用产生的氧主要限制在水圈里，并且与Fe2＋保持平衡，使其转化为Fe3 O4，形成条带状含铁岩石，所以大气中氧很少。在太阳光及高能紫外线的作用下，水中的光合植物（如蓝藻、绿藻）逐渐增加，氧的生产量越来越多，Fe2＋则减少，二者的平衡被破坏，于是较多的氧气在元古宙进入大气圈（图10-4）。
大气圈中氧的出现（或增加）开创了新的细胞和有机体的形成阶段，出现真核生物。随着有机界的发展，氧的积累又逐渐增加。据一些学者推算，元古宙晚期大气中氧含量已达到12%，古生代氧含量达到18%。O2 与NH3 化合产生N2 和H2 O，而CO2 则由较高的含量逐渐降低到现在的水平（图10-4）。
元古宙时期大气层中CO2 减少并进入水体中，使得该时期开始形成大量的灰岩和白云岩（碳酸盐岩类）。碳酸盐岩沉积又可释放出氧气到大气圈。大气圈中的氧气受紫外线照射，某些氧分子变成氧原子和臭氧，由于它们的强化学活动性，使地表的物质发生氧化，因此显生宙时期开始出现明显的红色地层堆积。臭氧在光化学作用下不断积累，形成了对有害紫外线的屏蔽。
太平洋、大西洋和印度洋的深海钻探表明，洋底沉积层的年龄均不超过1.7亿年，现有各大洋洋底主要是近2亿年来海底扩张的产物。但这并不意味着大洋发展历史仅限于中生代以来。自地球上出现了水以后，也就开始了大洋的形成、发展和演化过程。目前最老的沉积岩年龄达40亿年，说明当时地球上已有水圈的存在。
地幔和地壳中有很丰富的结构水（主要存在于矿物的晶体结构中），火山活动使得水（H2 O）析出。按现在火山喷气的速率计算，自地球形成以来排出的水远比现在水圈中的水少得多，推测在地球形成早期一定存在非常强烈的火山活动。许多学者认为，地球上的大部分水在地质历史的早期阶段便已积聚形成，距今35亿年前海水的体积已具相当大的规模。海洋动物群是海洋演化的见证，海洋动物大多数纲和几乎所有的门在早古生代初期就已存在，早古生代以来并未演化出新的门类。海洋动物的古老性证明了大洋具有久远的历史。现在一般认为初始的水圈与大气圈的形成几乎是同时的，并具有相似的成因，即主要来自于地球演化早期（冥古宙早期）的增热、岩石部分熔融、层圈分异等所伴随的脱气、脱水作用。早期大气中H2 O（水汽）含量极高也说明了这一点。
20亿年前开始有碳酸盐岩类（主要为白云岩）沉积，海绿石在12 亿～15 亿年前的岩石中就已存在，层状燧石和富硫沉积物等的存在都说明很早的海洋中就已富有盐分。当时的海洋与现在的海洋有一定的差别，Eh，pH 值都较低。早期的海洋盐度变化可能较大，在前古生代发现的许多微生物似乎反映了淡水环境。现在看来，水圈的主体可能形成较早，但后来水圈的量仍在逐渐积累，只是积累速度已大为减慢。目前关于水圈早期历史的资料较少，对它的形成和发展认识大部分是逻辑上的推测。
大气圈和水圈的形成与发展使得地球表层动力系统逐渐完善；在太阳能的作用下，出现各种天气、气候、水文和地质现象；共同促进了地球表层环境的演化。
研究表明，自地球形成以来，其大气环境一直处于变化之中。既有物质成分的变化，也有气温冷暖和干湿的交替变化。大气环境变化的时间尺度有长有短，有长达几百万年、甚至上亿年的变化周期，也有几年或几天的变化周期。其中，冰期与间冰期的变化是地质历史上长尺度大气环境变迁、大气圈-水圈共同演化的最重要特征。
在气候冷暖的变化过程中，我们一般把地球上气候极其寒冷（比现今年平均温度可低8～12 ℃）、高纬冰川和高山冰川大规模扩展的阶段称冰期。两个冰期之间气候相对温暖、冰川大规模消退（与现代的气温接近或高得多）的阶段称间冰期。总体来说，地球的大气环境主要是处于温暖的阶段中（图11-19）。冰期只占地球历史的1/10时间，而绝大部分时期为间冰期。在太古宙的晚期，地球上就出现了寒冷的气候，开始发育冰川。在元古宙，有过多次冷暖的交替波动。到新元古代的南华纪-震旦纪时期，全球发育了第一次规模较大的冰川活动，通常称为第一次大冰期。当时我国南方地区就发育了冰川。此后，地球经历了长达3.3亿年的温暖时期。在晚古生代（石炭纪至二叠纪），地球又进入第二次大冰期，这次以南半球发育大量冰川为特征。在整个中生代，全球的气候都比较温暖，有的地区显得干燥。全球性的第三次大冰期发生在第四纪。我们现在就处于这次大冰期中的相对温暖阶段，一般称为冰后期或现代间冰期。
图11-19 地史中的气温变化趋势及大冰期
（据L.A.Frakes，1984，修改）
导致气候变化的因素是多方面的，包括地球轨道要素的改变（米兰柯维奇学说）、太阳辐射的变化及太阳黑子活动、大气成分的变化（温室气体的增减）、板块运动（包括超大陆旋回产生的海陆分布格局变化、地形变化、洋流变化、大气环流变化）等。事实上，气候变化往往是诸多因子共同作用的结果。但是，大冰期的发育毕竟有其主导性的原因，究竟哪种或哪几种因素起着决定性的作用，目前并没有公论。