За геологическую историю Земли происходило изменение не только свойств подстилающей поверхности, но и состава атмосферы.  Состав атмосферы в первые миллиарды лет сильно отличался от современного. Судя по пузырькам газа в современных лавах, 80 % их состоит из водяных паров, которые характеризуют дегазацию ее материала. Эти части на 6−20% состоят из СО₂, на 35 % из H₂S, SО₂, NH₃, кроме того в них находят СО, СН₄, борную кислоту, водород. В составе илов находят НС1 и HF, HBr, HI; а также азот и инертные газы в небольших количес­твах. Первичная атмосфера была практически бескислородной и содер­жала мало свободного азота. Некоторое количество кислорода (не более 0,001 современного) могло получаться за счет диссоциации воды ультрафиолетовым излучением Солнца, и при разложении аммиака выделялось некоторое количество азота. Этот процесс существенно ускорился с образованием в недрах океана жизни, а с переходом к аэробному существованию бактерий, возникновению фотосинтеза ускорился еще сильнее, пока не достиг современных значений  (подробнее об эволюции атмосферы см. Главу 2 раздел 2.3).

Состав атмосферы наиболее сильное влияние на климат оказывает через парниковый эффект. Главнейший из парниковых газов − водяной пар. Его содержание и атмосфере устанавливается в процессе влагооборота и контролируется общей циркуляцией. Важными парниковыми газами являются также двуокись углерода (СО₂) и метан (СH₄). В зависимости от поступления СО₂ в атмосферу за счет вулка­низма и дыхания организмов, ее связывания организмами и другими путями как температура Земли, так и развитие растительности стали испытывать большие колебания, хорошо обнаруживающиеся начиная с фанерозоя (последние 650 млн лет). Так, наиболее резкое убывание СО₂ происходило в карбоне из-за бурного развития растительности, что привело в дальнейшем при благоприятных орбитальных и других условиях к оледенениям (Климатология, 1989). В настоящее время содержание СО₂ и других парниковых газов привлекает особое внимание климатологов и общественности, так как их количество в атмосфере зависит от антропогенной деятельности человека. Например, за счет роста объемов сжигаемого топлива концентра­ция двуокиси углерода в атмосфере возросла за 150 лет примерно на 30%. Рост концентрации парниковых газов, по мнению многих ученых, ведет к росту тем­пературы воздуха у поверхности Земли. При этом, кроме общего потепления и тая­ния ледников, возможны усиление неустойчивости атмосферной циркуляции и рост количества опасных явлений.