（一）固体圈层的形成与演化
地球形成之初可能是冷的，证据来自氖的丰度和水的相对比例。氖是地球大气中非常稀少的气体，但在其它星体上比较多些，因而氖必须先从地球上逸散。由于水分子与氖的重量大致相同，故其逸散速率亦应相近。但水与氖的化学性质不同，它在冷的条件下可形成不易蒸发的化合物，而氖则因化学性质惰性大，一直呈气体状态。冷的地球有选择地将水留下而氖则缓慢地逸散到太空中去。
地球可能是由冷的星子聚集而成的。因此，最初应是均质的。但形成后不久，地球必须变热进而发生分异或分离成地核、地幔和地壳。地球变热是由于星子聚集时的碰撞作用、重力压缩作用和放射性蜕变的结果。
因为岩石是热的不良导体，地球内部的温度不断上升，当达到某一温度时铁开始熔融，并因其密度大而向地心下沉，遂形成地核。当铁向地心下沉时，其重力能转化为热能，成为地球内能的补充，结果使地球的大部分发生熔融并进一步地分异，轻元素和一些易于与轻元素结合的较重元素，浮到顶部形成地壳。在这个地球历史时期，火山作用广泛分布，大气圈和水圈开始聚集。
当地幔获得足够的热量后，开始发生对流。初始的海底扩张使地内的散热作用加速，地幔固结，但外核仍为液态。外核的对流是产生现今地球磁场的原因。
现在的陆壳可能是由形成地幔、地核的分异作用形成的。原始地壳可能像现在的洋壳，绝大部分是玄武岩，而大陆则随着沉积物连续不断的堆积和由于岛弧火山作用而逐年增大。
当地球表面冷却后形成了海洋和大气圈，开始有了水和风的剥蚀作用。河流开始携带风化的岩石碎屑到海洋中形成沉积物并成为沉积岩。
（二）大气圈、水圈和生物圈的形成与演化
地球大气圈中惰性气体比分子量相近的其他气体（如H2O，CO2，SO2等）的丰度较低，这就说明了地球是由冷的星子聚积形成的。星子曾经含有过以冻结的颗粒或低温下化合物形式存在的挥发气体，如H2O，CO2，SO2等。惰性气体因为它们不以冻结的颗粒或化合物的形式出现，而星子又因为太小而不能把它们吸住，因此，早期地球不大可能有大气圈。
当地球由于引力收缩和放射性蜕变而被加热后，水蒸气和其他气体被释放出来形成大气圈和水圈。地球的引力除对H和He这两种最轻的气体外，足以吸住所有的气体，因此可以认为现在的大气圈基本上是次生的，是地球内部排气作用的结果。然而现代的火山气体和现代的大气圈成分并不一致，火山气体主要由水蒸气、氢、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳和氮组成，因此原始大气圈可能在成分上与现在的大气圈不同，大气圈的成分可能随时间而演变。
最早的大气圈除水蒸气外可能曾含有强还原性的化合物，如氢、甲烷和氨。经过漫长的地质时代，地球早期原始大气圈发展成为今天的成分，经历了不同的过程。在大气圈的上部，太阳紫外线辐射使水分解成氢和氧，氢逸散到太空中，氧常用于氧化地面岩石或与其他气体结合。氨将分解为氢和氮，其中氢逸散。甲烷也将分解成氢和碳；碳与自由氧结合成二氧化碳。大多数二氧化碳溶于海水中或结合到植物或动物的组织中，它们现在以碳酸盐（如石灰岩）或化石燃料（煤和石油等）的形式出现。
大气圈上层水蒸气分解所产生的氧不足以形成今天的富氧大气圈。现在的富氧大气圈可以认为是植物光合作用造成的。植物的光合作用是在约2×年前开始发生的，到前寒武纪末期（约6×年前）氧的含量可能达到约今天数量的1／，到志留纪末，氧的含量可能达到今天的1／10。臭氧层形成后，使植物可以在陆地上生长。
早期的海洋由于大气圈富含CO2而可能具有更大的酸性，这将造成高浓度的Ca2＋和Mg2＋，并且因为缺少自由氧，铁将以Fe2＋出现。研究海洋蒸发盐沉积物和化石表明，至少自前寒武纪以来，海水中的主要离子的浓度与现在的没有太大的差别。
大气圈和水圈的主体是地球早期排气作用造成的，大量挥发组分可能是在地核形成时及形成之后释放出来的，亦有人称之为“爆发性排气”。虽然在整个地质时期内以现在的排气速度排气就不难形成大气圈和水圈，不过现在排出的气体中很多挥发成分是第二次旋回的（即水和气体结合在沉积物中，当沉积物被埋藏或俯冲后受热而重新释放出来）。
在地球的各个圈层中，生物圈是形成最晚，组成最复杂，与其他圈层关系最密切的一个圈层。地球形成之初，当大气圈和水圈以原始状态出现时，地球上还是个没有生命的世界，原始地壳、大气和水为生命的出现提供了先决条件。早期大气的甲烷—氨—水—氢混合的模型非常利于有机物的生成，生成的动力是太阳紫外线照射、大气中的电击雷鸣、地下熔岩的喷溢等。从简单有机物转化为生命物质，原始海洋是重要的一环。大气中的有机物随降水进入海洋，陆地上的有机物和无机盐随地表径流也进人海洋，它们在温度稳定适中、营养物质丰富的海水中频繁接触，简单有机物逐渐发展成多分子的有机物，并且逐渐演变成能够不断自我更新、自我再生的生命物质。
原始生命在水中形成，同时也必须在水中发展。原始生命一旦形成，紫外线又会对其生命活动产生严重伤害，因此，海水无疑是生命发展的最好保护地。绿色植物的出现，为生命登上大陆创造了前提条件。绿色植物的光合作用，产生出游离的氧，氧逐渐积累，在大气中形成臭氧层，在臭氧层的保护下，绿色植物慢慢上到了陆地，并开始了其陆上演化，从陆生孢子植物到裸子植物，再到被子植物，动物界也相应地依次出现了两栖动物、爬行动物和哺乳动物，形成了不断发展演变的生物圈。