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No início da formação do planeta Terra a atmosfera era composta basicamente por gases (Metano, amônia, nitrito, vapor de água e dióxido de carbono) resultantes das constantes erupções e colisões na superfície inóspita da terra primitiva, além dos que eram expelidos por rachaduras na crosta terrestre.

Então, em uma segunda fase, surgem os primeiros organismos vivos que realizam fotossíntese (processo bioquímico que transforma dióxido de carbono em oxigênio com o auxílio da luz solar, realizado pelos vegetais e algumas algas), absorvendo o gás carbônico da atmosfera e transformando-o em oxigênio. Com isso acontece uma das maiores transformações causadas no planeta por algum organismo vivo: a atmosfera torna-se saturada de oxigênio. Ironicamente, os primeiros organismos a realizar a fotossíntese eram anaeróbios (organismo que vivem sem oxigênio e morrem na presença dele), e são extintos. Alguns organismos, entretanto, continuam evoluindo e se adaptam a nova atmosfera cheia de oxigênio.

Atualmente, o nitrogênio e o oxigênio juntos, somam cerca de 99% dos gases que compõem a atmosfera terrestre. O oxigênio é consumido pelo seres vivos através do processo de respiração e transformado em dióxido de carbono e vapor de água que serão depois reabsorvidos pelos organismos. O dióxido de carbono será consumido no processo de fotossíntese, e o vapor de água, responsável, por redistribuir a energia na terra através da troca de energia de calor latente, produzir o efeito estufa e causar as chuvas, será novamente consumido pelos organismos vivos na sua forma líquida.

Outros gases que compõem a atmosfera terrestre são: dióxido de carbono, argônio, metano, óxido nitroso, monóxido de carbono, dióxido de enxofre, óxido e dióxido de nitrogênio, os clorofluorcarbonos, ozônio, e outros que integram o 1% restante da atmosfera.

Para fins de estudos a atmosfera terrestre é dividida em algumas camadas de acordo com a variação das transições de temperatura:

A troposfera, que geralmente se estende a 12 km (entre 20 km no equador e 8 km nos pólos). É nesta camada que acontecem praticamente todos os fenômenos que influenciam o tempo.

A estratosfera, estende-se até aproximadamente 50 km com temperaturas parecidas com as da troposfera até o limite de 20km. Esta camada é mais quente por causa do ozônio que se acumula e que absorve os raios ultravioletas.

Na mesosfera, a temperatura novamente diminui. Esta camada vai até cerca de 80 km. A esta altura, a temperatura chega a -90ºC!

E a termosfera, que não possui um limite inferior muito bem definido. Aqui as moléculas se agitam com uma velocidade enorme, o que significaria uma temperatura altíssima. Entretanto, a concentração dessas moléculas é muito baixa o que diminui drasticamente a quantidade de energia que essas moléculas poderiam transmitir para qualquer corpo que se encontrasse ali, anulando, de certa forma, a temperatura. A termosfera, por sua vez, compreende uma camada situada entre 80 a 900 km, chamada de ionosfera.

A ionosfera, como o próprio nome já diz, é composta por uma infinidade de íons criados a partir da radiação solar que incide nas moléculas de oxigênio e nitrogênio, liberando elétrons. A ionosfera é composta por três camadas (da mais próxima a mais distante) D, E e F que possuem concentrações diferentes de íons. Durante a noite as camadas D e E praticamente desaparecem, porque não há incidência de raios solares e, conseqüentemente, não há formação de íons. Ou seja, durante a noite, os íons se recombinam formando novamente as moléculas de oxigênio e nitrogênio. Mas, à noite ainda há incidência de raios solares, mesmo que de menor intensidade, o que explica porque a camada F não se extingue também.

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