الغلاف الجوي القديم يشير إلى غلاف الأرض في أحقاب جيولوجية ماضية، يمكن استنتاج تركيبه من دلائل صخرية وبيولوجية مثل أكاسيد الحديد والفحم النباتي والأوراق الأحفورية؛ كان قبل البيولوجي مختزلاً بلا أكسجين حر، ثم ارتفعت كميات الأكسجين بعد حدث الأكسدة الكبير نحو ٢.٥ مليار سنة فمهدت لظهور الحياة متعددة الخلايا في العصر الكمبري.
قبل ظهور عملية التمثيل الضوئي، كان غلاف الأرض الجوي يكاد يخلو من الأكسجين الحر، إذ لم تكن الكائنات الحية الدقيقة المنتجة له قد انتشرت بعد بالقدر الذي يسمح بتراكمه في الهواء. وقد شكّل ظهور التمثيل الضوئي تحولاً جوهرياً في تاريخ الكوكب، لأنه أتاح تدريجياً زيادة نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي، الأمر الذي مهّد لظهور أشكال حياة أكثر تعقيداً واعتماداً على التنفس الهوائي.
