L’atmosfera attuale è il risultato di 4,5 miliardi di anni di evoluzione. Nella fase iniziale essa era probabilmente composta esclusivamente da emissioni vulcaniche, che oggi sono perlopiù costituite da un miscuglio di vapore acqueo, anidride carbonica, diossido di zolfo e idrogeno, e praticamente prive di ossigeno. Nell’ipotesi che la composizione dei gas emessi dai vulcani sia effettivamente quella che caratterizzava l’atmosfera primordiale, è naturale pensare che nel corso di migliaia di anni si siano verificati vari processi che hanno agito per portare alla struttura attuale. Uno di questi processi fu probabilmente la condensazione; il raffreddamento del vapore acqueo di origine vulcanica e la conseguente condensazione determinarono forse la formazione delle superfici oceaniche primordiali. Trasformazioni fisiche di questo tipo furono sicuramente accompagnate da varie reazioni chimiche che diedero luogo alla formazione dei composti attualmente presenti nei gas atmosferici e sulla superficie terrestre. Una parte dell’anidride carbonica reagì quasi certamente con le rocce della crosta terrestre, formando i diversi carbonati e un’altra parte si disciolse negli oceani. Solo in un secondo tempo, lo sviluppo di forme viventi primitive in grado di effettuare la fotosintesi e di nuovi organismi marini determinò la produzione di quantità rilevanti di ossigeno. Si ritiene che quasi tutto l’ossigeno libero presente nell’atmosfera attuale abbia avuto origine per combinazione fotosintetica dell’anidride carbonica con l’acqua. Il contenuto di ossigeno dell’atmosfera e degli oceani, che circa 570 milioni di anni fa poteva garantire la respirazione dei soli organismi marini, crebbe fino a permettere, circa 400 milioni di anni fa, l’evoluzione degli animali di terraferma.

La percentuale di vapore acqueo nell’aria, che varia notevolmente a seconda della temperatura, viene indicata per mezzo dell’umidità relativa. Con il 100% di umidità relativa, il contenuto di vapore acqueo varia tra 190 parti per milione (ppm) alla temperatura di -40 °C e 42.000 ppm a 30 °C. Piccole quantità di altri gas, come l’ammoniaca, il solfuro di idrogeno, gli ossidi e i solfuri di azoto, sono temporaneamente presenti nell’atmosfera, soprattutto in prossimità dei vulcani, e giungono al suolo trasportati da pioggia e neve. Il contenuto di ossidi e di altri agenti inquinanti che vengono immessi nell’atmosfera dagli scarichi industriali e dai motori delle automobili costituisce oggi un grave problema a causa degli effetti dannosi che possono manifestarsi sull’ambiente (ad esempio, piogge acide). Inoltre, esiste un'elevata probabilità che l’aumento dell’anidride carbonica atmosferica, determinato dallo sviluppo industriale e dall’uso di ingenti quantità di combustibile, possa modificare il clima terrestre, dando luogo a un processo oggi noto come effetto serra.

Preoccupante è anche il netto aumento del metano atmosferico, dal momento che dal 1978 a oggi si è registrata una crescita del livello di questo gas pari a circa l’11%. Oltre ad accrescere l’entità dell’effetto serra, il metano riduce il volume del gruppo ossidrile, peggiorando la capacità dell’atmosfera di purificarsi da sola dagli agenti inquinanti.

L’analisi dei campioni d’aria mostra che fino a circa 100 km di quota la composizione dell’atmosfera è sostanzialmente uguale a quella che si rileva al livello del mare; ciò significa che il continuo mescolamento prodotto dalle correnti atmosferiche contrasta la tendenza dei gas pesanti a collocarsi sotto quelli leggeri. L’ozono, una forma allotropica dell’ossigeno composta da molecole triatomiche, è presente normalmente in concentrazioni ridotte nella bassa atmosfera, mentre è contenuto in quantità sensibilmente maggiori nello strato compreso fra i 30 e i 50 km di quota, dove rappresenta lo 0,001 in volume. I movimenti dell’atmosfera e le precipitazioni trasportano sulla superficie terrestre una percentuale variabile di ozono; notevoli quantità sono inoltre prodotte dagli scarichi dei motori a combustione interna e dalle centrali termoelettriche: come conseguenza di ciò, nel corso degli ultimi trent’anni il livello di questo gas al suolo è circa raddoppiato, con conseguenti rischi per la vegetazione e per la salute; sembra infatti che una percentuale elevata di ozono possa infatti provocare l’insorgere di difficoltà respiratorie, bronchiti e attacchi d’asma.

Lo strato di ozono divenne oggetto di discussione all’inizio degli anni Settanta, quando fu dimostrato che i cloro-fluorocarburi (CFC), o cloro-fluorometani, potevano danneggiarne seriamente l’integrità. Questi composti, utilizzati come gas refrigeranti e come propellenti nelle bombolette spray e quindi liberati in grandi quantità nell’atmosfera, possono attaccare chimicamente l’ozono atmosferico, che protegge la superficie terrestre dalla radiazione ultravioletta proveniente dal Sole. Per ridurre l’entità del problema, le aziende dei paesi industrializzati hanno sostituito i cluoro-fluorocarburi in quasi tutti i loro usi. Gli studi sull’atmosfera non hanno ancora raggiunto risultati definitivi riguardo all’attuale minaccia che le attività umane rappresentano per lo strato di ozono, e l’argomento rimane a tutt’oggi un campo di discussione aperto.

Lo studio della propagazione e della riflessione delle onde radio ha mostrato che, a partire da circa 80 km di quota, la radiazione ultravioletta, i raggi X e i fasci di elettroni provenienti dal Sole, hanno un effetto ionizzante sui gas che costituiscono i vari strati dell’atmosfera, aumentandone la conducibilità elettrica e la capacità di riflessione di onde radio di determinata lunghezza d’onda. A causa della concentrazione relativamente alta degli ioni nell’aria, questo strato, che si estende fino a circa 640 km di altezza, è detto ionosfera. Tuttavia, con riferimento alle elevate temperature che vi si registrano (fino a circa 1200 °C alla quota di 400 km), la stessa regione viene talvolta indicata come termosfera. La zona situata al di sopra alla ionosfera è detta esosfera, e si estende fino a circa 9600 km di altezza, dove si trova il limite dell’atmosfera.

La densità dell’aria secca al livello del mare è circa 1/800 della densità dell’acqua, ma salendo di quota essa diminuisce rapidamente, in modo direttamente proporzionale alla pressione e inversamente alla temperatura. La pressione atmosferica normale a livello del mare, misurata per mezzo di precisi barometri, è circa di 760 torr, cioè 760 mm di mercurio (1 torr equivale alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 1 mm), ma all’aumentare della quota diminuisce rapidamente, dimezzandosi ogni 5,6 km circa; a 80 km essa è approssimativamente uguale a 0,007 torr. Questo significa che la metà dell’intero contenuto d’aria dell’atmosfera si trova al di sotto dei 6 km di quota.

La troposfera e la maggior parte della stratosfera possono essere esplorate direttamente per mezzo di palloni sonda equipaggiati con sofisticati strumenti di misurazione della pressione e della temperatura dell’aria e con radiotrasmettitori per inviare i dati a una stazione ricevente a terra. Razzi, con a bordo strumenti meteorologici, hanno esplorato l’atmosfera fino a circa 400 km di altezza. Lo studio della forma e dello spettro delle aurore polari fornisce informazioni sull’atmosfera fino a 800 km.