La composition chimique de l'atmosphère terrestre primitive ne peut être déterminée que de façon indirecte, grâce à des vestiges qui en ont conservé la trace. Ce sont des échantillons qui datent de la même époque de formation que l'atmosphère (il y a plusieurs milliards d'années), et qui se sont formés à partir des mêmes matériaux.
L'atmosphère terrestre s'est formée à partir des roches terrestres, par dégazage, lesquelles se sont formées à partir des "poussières de la nébuleuse solaire". Par conséquent, les roches terrestres peu transformées (comme certaines roches volcaniques issues d'un magma profond) et certaines météorites (non différenciées) contiennent les mêmes éléments chimiques, et dans les mêmes proportions, que les poussières de la nébuleuse solaire.
Lorsqu'on chauffe ces échantillons de roche volcanique ou de météorite, les élements volatils se transforment en gaz : les mêmes que ceux qui ont formé l'atmosphère primitive.
On remarque que ces deux types d'échantillons ont effectivement une composition chimique très proche : essentiellement de l'eau (80% environ), du dioxyde de carbone (entre 12 et 20% environ), des traces de diazote (quelques %) et pas de dioxygène. C'est donc la composition de l'atmosphère terrestre primitive.
L'expérience montre que de l'eau tiède peut bouillir : c'est donc inexact (ou au moins incomplet) de prétendre que "l'eau bout à 100°C", car ceci n'est vrai qu'à la pression atmosphérique normale (1 atm). En effet, l'état de l'eau (et de n'importe quelle autre substance) dépend à la fois de la température et de la pression.
Par conséquent, on peut trouver de l'eau liquide sur un astre qui aura une gamme de températures et/ou de pressions différentes de celle de la Terre. Le diagramme de phase donne l'ensemble des valeurs (P, T) pour lesquelles l'eau peut être liquide : on y voit qu'elle peut l'être à une température inférieure à 0°C ou supérieure à 100°C si la pression le permet. Par contre, l'eau ne peut pas être liquide si la pression est inférieure à 0,006 atm (elle est alors soit solide sous forme de glace, soit gazeuse sous forme de vapeur).
L'atmosphère terrestre est essentiellent composée de diazote (80% environ) et de dioxygène (20% environ). Les autres gaz, y compris le dioxyde de carbone pourtant si problématique (à cause de l'effet de serre), ne sont qu'à l'état de traces.
En comparant cette composition chimique avec celle de l'atmosphère terrestre primitive, on constate que le diazote et le dioxyde de carbone ont presque entièrement disparus et que du dioxygène est apparu.
On note, en comparant la Terre à Vénus (qui a peu changé depuis sa formation), que la pression atmosphérique sur Terre a énormément diminué (d'un facteur 100 environ) : ceci indique que des gaz ont été "perdus" par la planète, soit qu'ils se sont échappés de l'atmosphère, soit qu'ils se sont transformés (par réaction chimique avec d'autres constituants).
On peut donc proposer comme hypothèses pour expliquer ces changements :