古大气层是在过去的地质时期的大气层，特别是地球大气层，在非特别指定的时刻。

地球古大气层的构成保存在地质里，可以从现今对具有代理性的物质，例如氧化铁的丰度、木碳和树叶化石上气孔的密度，等的研究上推断出来。虽然今天大气层的成分是大约78%的氮和21%的氧，这在有生物前的大气被认为是高度缺乏的，实际上没有自由氧和氩，是由钾的同位素经由放射性衰变产生的，并且是以氮气、二氧化碳和甲烷为主。

看得出来自由氧不是原本就存在的，是由细菌，像是蓝细菌或者蓝绿藻在距今大约20亿年前演变至能进行光合作用之后产生的。距今大约5亿年，氧浓度的增加使生物能发展出多细胞的动物性生物。从此之后，植物出现在土地上并且迅速的演变和放射状的散布至许多表面的土地上，大约在4亿5千万年前，在早石炭纪期间，氧的浓度超过了目前的数值，而大气中的CO₂数量降得比目前的值还要低。

A paleoatmosphere (or palaeoatmosphere) is an atmosphere, particularly that of Earth, at some unspecified time in the geological past.

The composition of Earth's paleoatmosphere can be inferred today from the study of the abundance of proxy materials such as iron oxides, charcoal and the stomatal density of fossil leaves in geological deposits. Although today's atmosphere is dominated by nitrogen (about 78%), oxygen (about 21%), and argon (about 1%), the pre-biological atmosphere is thought to have been highly reducing, to have contained virtually no free oxygen, virtually no argon, which is generated by the radioactive decay of K, and to have been dominated by nitrogen, carbon dioxide and methane.