Колообіг води. Вода є найпоширенішою хімічною сполукою в біосфері. Сукупні запаси води нашої планети, яке може перебувати у різних фізичних станах оцінюється в 1,5 млдр.км3. Вода вбирається організмами та включається в них у біохімічні процеси: реакції обміну, біосинтезу, гідролізу, фотолізу. Живі організми виділяють воду в навколишнє середовище з продуктами обміну речовин, у результаті дихання, випаровування. Вона становить середовище існування гідробіонтів. Гідросфера – історично перша оболонка Землі, де зявилось життя у вигляді прокаріотичних біоценозів.
Колообіг кисню. Кисень відіграє в біосфері унікальну роль. Завдяки процесам дихання, під час яких кисень поглинається, забезпечуються енергетичні потреби організмів. З іншого боку, молекулярний кисень та озон у надлишкових кількостях небезпечні для живої матерії, бо здатні окиснювати органічні сполуки клітини. Майже весь атмосферний кисень біогенного походження: він утворився внаслідок фотосинтезу зелених рослин та ціанобактерій. Частина молекулярного кисню під дією ультрафіолетових сонячних променів і електричних розрядів перетворюється на озон, з якого сформувався озоновий екран, що захищає поверхню Землі від шкідливих короткохвильових космічних випромінювань. Вміст кисню в нижніх шарах атмосфери становить близько 21% і знижується зі збільшенням висоти.
Колообіг вуглецю. Вуглець входить до складу всіх органічних сполук. Його сполуки постійно синтезуються, перетворюються і розкладаються живими організмами. Вуглець накрпичується в живих організмах у вигляді синтезованих органічних сполук, а також неорганічних солей вугільної кислоти, а поза ними – в органічних речовинах грунту, вуглекислому газі та різноманітних осадових породах. На кообіг вуглецю значно впливає господарська діяльність людини. Розвиток промисловості, спалювання значних запасів енергоносіїв зумовлює збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. У свою чергу мосове вирубування лісів призводить до того, що рослинність Землі зв’язує меншу кількість атмосферного вуглекислого газу. Все це порушує рівновагу в обміні сполуками вуглецю між живою речовиною біосфери та оболонками Землі.
Колообіг азоту. Вміст вільного газоподібного азоту в атмосфері становить близько 79%. З атмосфери його частина надходить у воду та грунт у вигляді оксидів і в складні інших сполук, що утворюються під впливом космічних променів, грозових розрядів. Проте основна частина сполук азоту потрапляє у грунт і воду завдяки фіксації атмосферного азоту прокаріотами. Азот у складі хімічної сполуки, яка може бути використана живими організмами, має назву фіксованого. Складні органічні сполуки азоту (білки, нуклеїнові кислоти) надходять у довкілля із залишками організмів та розкладаються редуцентами, які здійснюють денітрифікацію – процес відновлення нітритів або нітратів до газоподібних сполук – молекулярного азоту (N2) чи двооксиду азоту (NO2). Завдяки діяльності редуцентів азотовмісні органічні речовини розкладаються до простих сполук, і цикл колообігу азоту в біосфері починається знову.