距今46億年前地球形成初期，其大氣圈的成分跟其他大陽系的行星一樣，充滿著大量還原氣體，包括氫、氦、一氧化碳、甲烷、氮、氨和硫化氫。其後，由於活躍的火山活動噴出其他氣體如二氧化碳、水汽和二氧化硫，以及甲烷和氮的含量增加，因此改變了地球大氣圈的成分。

由於這些氣體的含量持續上升，產生了強大的溫室效應；雖然當時太陽的亮度只有現今的70%，但仍然能令地球保存足夠的太陽熱能，令溫度保持在冰點以上。當時的溫室氣體如水氣和二氧化碳都含有氧原子，但是原初的大氣層內並沒有游離氧（氧氣）存在。

除了火山活動帶來水氣之外，頻密的隕石撞擊亦為地球添加更多水氣。地球表面是冰冷的岩石外殼，水氣遇上外殼凝結成水液，水液逐漸聚集在地球表面形成最初的海洋。