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Está compuesta por diversos tipos de gases, cuyo mayor porcentaje de masa se acumula en los primeros 11 km de altura (95% del aire se encuentra en su capa inicial) y cuya masa total ronda los 5,1 x 10¹⁸ kg.

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Los principales gases que la integran (en la homósfera) son el nitrógeno (78,08%), oxígeno (20,94%), vapor de agua (entre 1 y 4% a nivel superficial) y argón (0,93%).

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Sin embargo, otros gases se hallan presentes en cantidades minoritarias, como el dióxido de carbono (0,04%), neón (0,0018%), helio (0,0005%), metano (0,0001%), entre otros.

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Por su parte, la heterósfera se compone de capas diferenciadas de nitrógeno molecular (80-400 km), oxígeno atómico (400-1100 km), helio (1100-3500 km) e hidrógeno (3500-10.000 km).

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La presión y temperatura atmosféricas disminuyen con la altura, por lo que las capas exteriores son frías y poco densas.

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Se cree que la atmósfera surgió hace aproximadamente 4.500 millones de años, por un proceso que se puede explicar en cinco etapas.

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En la primera etapa, la atmósfera se conformó con emanaciones volcánicas, como el vapor de agua, el dióxido de carbono y de azufre, y el nitrógeno. En este punto, el oxígeno estaba apenas presente.

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En la segunda etapa, al enfriarse la Tierra, el vapor de agua se condensó y formó los océanos. El dióxido de carbono hizo reacción con las rocas de la corteza terrestre para crear los carbonatos -(CO32−); una porción de ellos, al disolverse en los mares, generó el agua salada.

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En la tercera etapa, hace aproximadamente 3.500 millones de años, aparecen bacterias, capaces de realizar la fotosíntesis, es decir, de producir oxígeno.  Lo anterior​​ facilitó el desarrollo de la vida marina.

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Una vez la atmósfera obtuvo el oxígeno suficiente, apareció la cuarta etapa, la evolución de los grandes organismos como los animales capaces de respirar aire.

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Así se llegó a la atmósfera actual que contiene los gases creados en cada una de las fases anteriores. Estos se mantienen en movimiento  por los vientos y las lluvias, permitiendo a los humanos, y al resto de organismos vivos, respirar. Por esta razón, sin ellos no habría vida en el planeta.

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Algunos estudios sugieren que los gases presentes en esa atmósfera eran agua, dióxido de carbono y nitrógeno; estos se mantuvieron por millones de años, hasta la evolución de la fotosíntesis en algunos microorganismos.

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La aparición de la fotosíntesis no solo transformó la atmósfera, sino que representó un cambio importante para la vida en la Tierra. Al haber oxígeno presente, varios organismos que no lo toleraban murieron, mientras que otros lo aprovecharon para generar más energía y, a través de la evolución, dieron lugar a formas de vida más complejas. Surgieron las primeras células eucariotas, que posteriormente permitieron la aparición de las plantas, hongos y animales.

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La concentración de oxígeno en la atmósfera llegó a ser de hasta 35%, hace 300 millones de años; cuando la Tierra era habitada por insectos y anfibios gigantes. Algunos estudios sugieren que ese gran tamaño se debió a la concentración de oxígeno en la atmósfera; pero la evidencia no es concluyente.

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Después de ello, los niveles de oxígeno disminuyeron, y desde entonces han fluctuado alrededor del porcentaje que existe actualmente (21%). Esto significa que los dinosaurios probablemente tuvieron una atmósfera con un porcentaje cercano de oxígeno, pero no así de otros gases; como el dióxido de carbono, que se encontraban en cantidades más altas.