人们通常认为：地球大气的演化大致经历了原始大气、次生大气和现在大气三个过程。
最初，在地球形成的过程中，一边是绕着太阳运动，一边是吸附着轨道上的微尘和气体。当地球表面逐渐冷凝为固态时，周围就包围着一层大气，这就是原始大气，其主要成分是氢和氦。
由于地壳尚不稳定，火山活动频繁，火山排出的气体就形成了地球的次生大气圈。它的成分以甲烷和氢为主，还有一些氨和水汽，但仍没有氧气。
氧的形成是现代大气形成的主要标志，它的形成过程与地球上生物的出现和发展密切相关。最初的生命出现于太阳紫外线辐射到达不了的深水中，以后逐渐移向浅水，进而发展成有叶绿体的植物，绿色植物的光合作用成为大气中氧形成的最重要的原因。氧的增加使得高空形成臭氧层，它吸收紫外线，有利于地球上的植物迅速繁殖和发展，这使地球上大气中的氧和二氧化碳的含量大大增多，经过几十亿年的过程就形成了现在的大气层。