冥古宙时期（45.7亿年前至40亿年前），火山喷发出的气体形成原始大气圈。紧接着，原始RNA开始出现。

太古宙（40亿年前至25亿年前）

约33亿年前（南非分期——斯威士代），蓝细菌和叠层石出现。随后，自由氧出现。

约25亿年前（南非分期——兰丁代），光合作用使大气圈含氧量增加。

元古宙时期（25亿年前至5.45亿年前）

约23亿年前（古元古代——休伦期——层侵纪），真核细胞出现。这时的地球恰好处于冰河时期。之后，大气中的含氧量逐渐上升，富氧大气开始出现，随后出现了有性生殖和第一个多细胞藻类。直到元古宙末期，大气含氧量已上升至相当于现在的18%，同时还出现生物群落。

寒武纪时期（5.45亿年前至4.9亿年前），大气中充斥着二氧化碳。

直到奥陶纪（4.9亿年前至4.43亿年前）的大约4.6亿年前，二氧化碳含量降低，随之而来的就是冰期。寒武纪伊始有机和无机的碳酸盐矿物（碳酸钙）以霰石或高镁方解石为主。当大气中的二氧化碳浓度较低时，碳酸盐主要以高镁方解石为主。由于二氧化碳是主要的温室气体，因此有人推测早寒武世全球的气候应该是比较凉爽的。

这种凉爽的气候到了中寒武世发生了转变，因为在这一时期碳酸盐矿物以低镁方解石为主，说明全球的气候开始转暖。持续性的全球变暖促进了蓝细菌的繁殖，同时也加速了古杯动物的灭亡。由古杯动物建造的礁石在中寒武世以后就再没有出现过，而由钙化蓝细菌建造的礁石在中—下奥陶统和上泥盆统中相当丰富，并一直延续到白垩纪中期才逐渐消失。大多数寒武纪初期出现的动物也都是延续到白垩纪末期才逐渐灭绝的。

奥陶纪（4.9亿年前至4.43亿年前）

奥陶纪是地球历史上海侵最广泛的时期之一，海平面只在短暂的时期处于较低水平——这种海平面的升降主要是由极地冰川融化和形成引起的。到了奥陶纪中期，几乎所有的陆地都被淹没。这一时期海平面最高的时候要比现在还高出100~225米，只有白垩纪海平面曾经超过这个高度，但也仅仅是高出一点。

随着年轻洋壳的形成，波罗的大陆和西伯利亚大陆向劳伦古陆靠近，巨神海也逐渐闭合。塔科尼造山运动扩展了陆地面积，并沿劳伦古陆形成大量的山脉。尽管南部的冈瓦纳大陆依然被冰川覆盖着，但是广阔的浅海依然占据了大多数低纬度地带，进而使全球大部分地区的气候变得温暖而湿润。伴随着海平面和海水组分的变化，大气成分也发生了改变。奥陶纪伊始，大气中的二氧化碳水平陡然升高，从而引发全球范围内的温室效应。这种局面一直持续到奥陶纪末期，紧接着二氧化碳的浓度又急剧下降。

志留纪（4.43亿年前至4.17亿年前）

志留纪极地冰盖消失，气候温和。这一时期的海平面处于高位，在全球范围内亦无大灭绝事件发生，对生物来说是一个难得的大发展时期。也许正是适宜的气候条件导致了脊椎动物的第一次大辐射。到了志留纪末期，所有无颌脊椎动物和早期鱼类的主要类群都已经出现。与此同时，陆生动物群首次出现在地球上，成为志留纪生命演化的又一个里程碑。

随着极地冰盖的融化，早志留世的海平面迅速上升，但是到了志留纪末期又降到寒武纪以来的最低水平。也许是晚志留世陆地面积不断扩大的原因，水生动植物开始适应它们并不“喜欢”的干燥环境。志留纪全球的平均温度比现在高出4~5摄氏度，纬向的温度梯度也不如今天显著。这样的温和的气候条件加上极地冰盖的消失严重阻碍了海水的对流，进而导致海水出现分层。表层海水的含氧量较高，而深层海水严重缺氧，因此大量的黑色页岩形成于较深的海盆中。

磷酸盐化石和海底沉积物中的稀土元素都可以反映早古生代的海洋环境。在现代海洋沉积物中，氧化环境下形成的稀土元素铈远远少于镧和钕。早古生代的生物磷灰石（一种磷酸盐矿物）中铈含量很高，这种异常的现象说明包括志留纪在内的早古生代海洋显然是缺氧的。在地壳运动的过程中，缺氧的海水涌入低地和陆表海，导致生物的大量灭绝和黑色页岩的形成。但笔石动物是个例外，它们在缺氧的深海环境中迅速演化并达到鼎盛。

泥盆纪（4.17亿年前至3.54亿年前）

志留纪已经开始出现简单的植物。陆生植物最早出现在较浅的淡水中，它们分化出露于水面之上能够进行光合作用的茎。泥盆纪最早的植物也是这样。这一时期位于现在苏格兰东北部地区的湖泊中就生长着这种简单的植物，它们的根和茎盘错在湖底，孢子囊长在直立茎的顶端。这种茎具有维管组织，能够运送水分以及光合作用产生的有机物。

当陆地上的沙砾变成土壤的时候，新型植物出现。它们演化出了强壮的根，为更加复杂的植物类型的演化创造了条件。随后植物变得非常复杂，出现了强壮的茎干、特化的叶子和用于产生孢子的生殖器官。这种植物在纽约州基利波地区的卡茨基尔湖畔形成了大规模的森林，预示着石炭纪的到来。气孔是植物和外界进行气体交换的通道，化石中的气孔结构清晰地显示出泥盆纪初期大气中二氧化碳的浓度是今天的10多倍。然而，随着植物光合能力的提高，大气中的氧气含量不断增加，而二氧化碳含量逐渐降低到了今天的水平。尽管在那一时期陆地面积仅相当于地球表面的 \frac{1}{3} ，但陆生植物的产氧量是海洋浮游生物的两倍，成为大气中氧的主要生产者。

早石炭世（密西西比亚纪）（3.54亿年前至3.24亿年前）

发生在泥盆纪的全球性变化一直延续至石炭纪。早石炭世各个大陆继续向一起汇聚，形成盘古超大陆、由于海平面持续高位，海水淹没了劳伦古陆北部的低洼地带并形成大规模的石灰岩。这些地壳变化是早石炭世区分于晚石炭世的重要事件，并与煤的形成息息相关。陆地上出现了具有木质茎杆的植物，最高可达30米。植物光合作用释放出的氧气改变了大气含氧量，并促使更多植物出现。

早石炭世大气中的含氧量高达35%，远远高于今天大气中氧气的浓度。沿海地区大片茂密森林的存在是造成这一现象的主要原因。树干中还有木质素，可以占到木质成分的20%到25%，具有增加植物细胞强度的作用。在现代，树木死后其中的有机物在氧气作用下会发生分解。而在石炭纪初期，木质素是一种刚刚演化形成的物质，用于降解木质素的生化途径尚未完全建立，因此死去的植物一般不会发生腐烂。

早石炭世，森林大火经常发生，因此在世界各地特别是苏格兰的淡水沉积物中可以找到大量的木炭。大气中较高的含氧量更易导致森林大火的发生，这也是树木死后没有迅速腐烂而形成煤层的主要原因。

晚石炭世（宾夕法尼亚亚纪）（3.24亿年前至2.95亿年前）

晚石炭世地球环境的改变加速了植物的演化。早石炭世大面积的热带浅海逐渐消失，取而代之的是海岸沼泽和三角洲。海退产生了富含矿物质的土壤，再加上北半球温暖的气候，使动植物都演化出了前所未有的种类。因此，晚石炭世茂密的森林遍布整个大陆。

这些茂密的植被利用太阳能将大气中的二氧化碳转化为有机物，它们死后浸泡在沼泽中，从而与空气隔绝避免了腐烂。久而久之，这些植物的遗骸逐渐堆积，在压实作用下逐渐转变成煤。

从18世纪开始，由史前植物转化成的煤炭被广泛开采并用于现代工业中。仅仅用了不到300年的时间，这些亿万年来形成的化石燃料就以二氧化碳的形式重新释放到大气中。尽管不是不可能，但是依然难以想象现代的地球有足够的森林重新回收大气中多余的二氧化碳。