环境的发展历史可分为地球形成的初期、生物的出现和发展、人类的出现和发展三个阶段。在各个发展阶段中，环境的各个圈层的化学组成和含量虽不相同，又有继承和嬗变的关系。生命的发生和生物的发展对环境的化学演化有着重大影响。

地球作为一个行星，在46亿年前起源于太阳系星云，经历了吸积、碰撞等演化过程。地球胎形成时，温度较低，并无分层结构，只是由于放射性衰变致热和原始地球的重力收缩，以及陨石物质的轰击，才使地球温度逐渐升高，并使地球物质具有越来越大的可塑性，出现局部熔融的现象。这时在重力作用下开始物质分异。地球外部较重的物质逐渐下沉，地球内部较轻的物质逐渐上升，一些重元素（如液态铁）沉到地球中心形成密度较大的地核。物质的对流伴随着大规模的化学分异，逐渐形成现在的地壳（岩石圈）、地幔和地核等层次。地球演化的早期，原始的大气化学物质逃逸殆尽。随着物质的重新化合和分化，起初在地球内部的各种气体上升到地表，地球引力使这些气体渐渐积蓄在地球周围形成第二代大气圈。第二代大气的化学成分主要为二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨，没有氧，当然也没有臭氧层。这一代大气称为还原大气。在地球形成的过程中，由于温度的升高，地球内部结晶水汽化，逸出地表，随着地表温度的下降，气态水凝成水滴，降落到地面，形成水圈。原始海洋是以氯化物为主的酸性还原环境。地球形成后10亿～15亿年，岩石圈、大气圈、水圈已经演化成形，是一个强还原环境。在地热能、太阳能的作用下，简单的无机物和甲烷等化合成氨基酸、核苷酸等有机物，并逐步演化为蛋白质等有机物，为生命的产生准备了充分必要的条件。

约35亿年前，原始海洋中的氨基酸和蛋白质形成最简单的、无氧呼吸的原始生物（细菌）。这些生物是厌氧的异养生物，靠吸收水环境中的有机物进行无氧呼吸（发酵）而获得能量。这种厌氧异养原始细菌逐步演化出有叶绿素，并能进行光合作用的自养原核生物——藻类，如燧石藻、蓝绿藻等，形成藻菌生态系，在水体中进行光合放氧作用。随着藻菌生态系的进化，在10亿～15亿年前，出现了单细胞真核植物。约在6亿年前海洋中出现动物，在4亿年前（晚志留纪和早泥盆纪）出现陆生蕨类，从此形成了水陆的动物、植物、藻菌类的生态系统。

生物的发生和发展形成了生物圈。生物的作用对环境化学演化产生巨大影响。主要包括：①绿色植物通过光合作用，吸收二氧化碳，放出氧；植物吸收氧，合成蛋白质；微生物分解生物残体，放出氮气。这些过程使原来以二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨为主要组分的还原大气演化成为以氮、氧为主的氧化大气（第三代大气）。据推断，地球大气由还原大气演化成氧化大气约在18亿～22亿年前。由于大气中游离氧逐渐增加，约在4亿年前形成臭氧层。臭氧层对来自太阳的强烈紫外辐射起到屏蔽和过滤作用，使陆地植物免受紫外线伤害而得以更加繁盛，水生生态逐渐演化到陆生生态。绿色植物是二氧化碳的主要转化者，又是碳素的主要储存者。据推算，地球上每年约有150亿吨的二氧化碳转化为木材。森林植被含有碳素4000亿～5000亿吨。当今使用的煤、石油、天然气等矿物燃料都是古代生物转化而来的。②岩石经风化和生物的作用形成了土壤。土壤的形成促进了生物的大发展，影响环境化学物质的循环和演化。③生物的作用影响水圈的化学演化，使原来以氯化物为主的酸性还原环境逐渐演化为以氯化物和碳酸盐为主要成分的中性氧化环境；氨被氧化为硝酸盐；活性较大的低价铁、锰离子被氧化为高价离子，并形成铁锰水合物或碳酸盐而富集起来。④水陆的动物、植物和微生物的三级生态系统，对化学物质的循环产生重大的影响。如占空气正常含量约0.03%的二氧化碳，通过生物的呼吸作用，大约300年循环一次；占空气正常含量约21%的氧，通过植物的光合作用，2000年可循环一次。整个水圈的水分，通过生物圈的吸收、排泄以及蒸发和蒸腾作用，约20万年可循环一次。此外，生物的作用对铁、钙、碳、氮、磷等的循环也有很大的影响。

环境的演化阶段可分为从人类出现到产业革命前和从产业革命到现在两个时期。

约在300万年前，形成了最早能制造工具的原始人类。随着社会生产力不断提高，人类对环境化学演化的作用不断增强。人类在各个历史时期大规模地狩猎和烧荒、兴修水利、开垦农田、采伐森林等，这些生产活动都对环境化学演化产生影响。早期城市排出的污水中，氮、磷使一些地区水体受到污染。

产业革命后人类开发自然和利用自然资源的规模愈来愈大，不仅把沉睡在地壳中的矿产大量移进地表环境，而且制造出许多种自然界所没有的人工合成化学物质，如农药、塑料和人工合成的许多无机、有机化合物。据统计，这些物质已超过500万种，每年生产约6000万吨，冲击着长期以来人类所适应的自然环境，影响和改变着环境质量。20世纪40年代以来，世界化肥产量大约每10年增加一倍。这就改变和加速了地表环境中氮素和矿物营养元素的化学循环过程。2012年，世界化肥使用量约1.95亿吨，其中氮肥约1.20亿吨，其他为磷、钾等肥料。大量氮、磷通过径流进入河流、湖泊和地下水，饮用水源受到污染，并产生水体富营养化等现象。

人类活动极大地加速了地表环境中各种元素的迁移。古代人类仅利用18种元素；到19世纪则利用了62种元素；20世纪70年代除利用地壳中已知的94种天然元素外，还开始制取和部分利用了地壳中不存在的人造元素如镅、锎等。此外，人们还创造了自然界不存在的元素状态和组合，如自然界所没有的呈游离状态的铁、铝、铜、锌、镍、钴等元素。人类每年从地壳中获取不少于4立方千米的矿石，冶炼愈来愈多的金属。大量尾矿、金属废料、冶炼废水的排放，使土地和水域遭到严重污染。重金属元素污染对环境的影响较大，如大量应用汞和汞化合物的一些氯碱厂、有机化工厂带来的汞污染特别严重。据估算，全球人为源每年约向大气排放2100吨汞，其中气态单质汞、活性气态汞和颗粒汞的释放量分别为1480吨、480吨和140吨。另外，矿物燃料产量逐年增加，根据2015《BP世界能源统计年鉴》显示，2014年，全世界煤炭产量为82.6亿吨，石油产量达44.1亿吨。这些矿物燃料的燃烧影响大气化学性质，转而又影响整个环境化学特征。产生影响最大的是二氧化碳，其次是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及颗粒物。二氧化碳对近地面环境产生温室效应，颗粒物可减弱太阳辐射、对地表产生阳伞效应，二氧化硫可形成酸雨，氮氧化物能造成光化学烟雾和破坏臭氧层等。已确知，大气中二氧化碳的浓度已由19世纪60年代的0.029%上升到20世纪60年代末的0.032%，而且所增加部分的1/5是在1959～1969年的10年中增加的。政府间气候变化专业委员会（IPCC）第四次评估报告指出，1995～2005年二氧化碳浓度的增长速率（平均每年百万分之1.9）大于有连续直接大气观测以来的时期（1960～2005）的增长速率（平均每年百万分之1.4），表明大气中二氧化碳浓度的增加有加快的趋势。