Maalla on ollut kolme ilmakehää, joista jokainen on erilainen kemialliselta koostumukseltaan. Ensimmäinen maapallon ilmakehästä, joka muodostui planeetan ollessa vielä hyvin nuori, oli pääasiassa vetyä ja heliumia. Tämä ilmakehä on noin 4.57 miljardia vuotta vanha ja se oli lyhytikäinen-sulan kuoren ja aurinkotuulen aiheuttama lämpö haihdutti tämän kerroksen. Vety ja helium eivät ole tarpeeksi raskaita muodostamaan vakaata ilmakehää, ellei planeetta ole kovin massiivinen – nämä elementit saavat todennäköisemmin paeta nopeutta satunnaisten lämpötilan vaihtelujen aikana. Tämä on osa syytä, miksi vety ja helium ovat nykyään hyvin harvinaisia maapallon ilmakehässä.
Noin 4.4 miljardia vuotta sitten kuori jähmettyi ja muodostui lukuisia tulivuoria, jotka paisuttivat taivaalle höyryä, hiilidioksidia ja ammoniakkia. Ajan myötä näiden tulivuorikaasujen tiheydestä tuli riittävä muodostamaan toinen maapallon ilmakehä, pääasiassa hiilidioksidista ja vesihöyrystä. Jonkin verran typpeä oli läsnä, mutta tuskin lainkaan vapaata happea. Tämä on samanlainen kuin Venuksen nykyinen ilmakehä, joka on 96.5% hiilidioksidia ja 3.5% typpeä. Maan ilmakehällä oli tässä vaiheessa jotain muuta yhteistä Venuksen kanssa – se oli noin 100 kertaa tiheämpi kuin nykyään. Paine pinnalla olisi ollut samanlainen kuin alle 1 km: n (0.62 mailin) veden paine.
Maan ilmakehä alkoi hitaasti harventua, kun hiilidioksidi liukeni valtameriin ja saostui karbonaateiksi. Tämä päällystti suuren osan maapallosta hiilikerroksessa ja loi pohjan varhaiselle elämälle.
3.5 miljardia vuotta sitten elämä oli syntynyt arkeian muodossa. Noin 2.7 miljardia vuotta sitten niihin liittyivät syanobakteereiksi kutsutut mikrobit. Syanobakteerit olivat ensimmäiset happea tuottavat fototrooppiset organismit, ja ne alkoivat hitaasti imeä hiilidioksidia ilmakehästä ja vapauttaa happea. Kesti kauan, ennen kuin syanobakteerit todella alkoivat, mutta 2.7–2.2 miljardia vuotta varhaisen paleoproterozoikan aikana nämä mikrobit muuttivat Maan ilmakehän hapettomasta (hapettomasta) ilmakehästä myrkylliseksi (happipitoiseksi) . Tätä kutsutaan suureksi hapetukseksi tai yleisemmin happikatastrofiksi.
Hapettumistapausta pidetään toisinaan katastrofina, koska useimmille tuolloin eläville elämänmuodoille happi oli myrkyllistä. Siksi happikatastrofi oli yksi ensimmäisistä suurista joukkosukupuuttoista. Hyödyksi saimme kuitenkin toisen maapallon ilmakehän, sellaisen, jota tarvitsemme selviytyäksemme tänään.