最初的地球经历着原子演化过程。地壳内部大量放射性元素进行裂变和衰变。这个过程所释放能量的积聚和迸发，陨星对地表的频繁撞击，以及可能由于月球被地球捕获时而引起的潮汐摩擦力等，都会导致地壳火山的强烈活动，使得被禁锢在地壳内部的挥发性物质不断喷发出来，形成一个主要成分有水、一氧化碳(CO)、二氧化碳 (CO₂)和氮等组成的还原大气圈。水汽冷凝后在低处汇聚成为海洋。

早期的地表环境没有氧气，更没有臭氧层，这就使得高能紫外线能够无阻碍地直射地面。50年代以来的一系列人工模拟实验，证实在高能紫外线辐射下还原大气圈的气体成分可以合成为简单的有机化合物，成为生命发生的最基本材料。这些非生物合成的有机小分子在原始海洋汇聚起来，经历了漫长的过程，逐渐形成生命前体，最后演化为原始生命。

已发现的最古老的生物化石是原始菌藻类，其年代约为34亿年前。最早的生命是异养的，又是厌氧的。它们以原始海洋中有机分子为养料，依靠无氧的发酵方式获得能量。原始海洋供应的养料有限，因而一些能合成无机养分为有机质的自养生物，例如能在光合作用下把水和二氧化碳合成有机质的蓝绿藻出现了（距今约27亿年）。绿色植物在光合作用中释放出游离氧，逐渐改变了大气的成分。大气氧的形成是地球环境演化史上一次最重大的变化。