A Nagy Oxigenizációs Eseménynek volt az első jelentős hatása az evolúció menetére. A légköri oxigén gyors felhalmozódása miatt sok olyan élőlény elpusztult, amelyeknek az élethez nem volt szükségük oxigénre.A légkör oxigénkoncentrációját gyakran említik a nagyszabású evolúciós jelenségek, például a többsejtű Ediacara élővilág kialakulásának, a kambriumi robbanásnak, az állatok testméretében megfigyelhető tendenciáknak, valamint más kihalási és diverzifikációs eseményeknek a lehetséges okaként.

A rovarok és kétéltűek nagy méretét a karbon időszakban, amikor a légkör oxigénkoncentrációja elérte a 35%-ot, a diffúzió korlátozó szerepének tulajdonítják ezen organizmusok anyagcseréjében. Haldane esszéje azonban rámutat, hogy ez csak a rovarokra vonatkozna. Ennek az összefüggésnek a biológiai alapja azonban nem szilárd, és számos bizonyíték mutatja, hogy az oxigénkoncentráció nem méretkorlátozó a modern rovaroknál. A légköri oxigén és a maximális testméret között a geológiai feljegyzésekben máshol sincs jelentős összefüggés. Ökológiai korlátok jobban megmagyarázhatják a karbonkor utáni szitakötők kicsinyített méretét – például a repülő versenytársak, mint a pteroszauruszok, madarak és denevérek megjelenése.

A növekvő oxigénkoncentrációt az evolúciós diverzifikáció egyik hajtóerejeként említették, bár az ilyen érvek mögött álló fiziológiai érvek megkérdőjelezhetőek, és az oxigénkoncentráció és az evolúció sebessége közötti következetes minta nem egyértelműen nyilvánvaló. Az oxigén és az evolúció közötti leghíresebb kapcsolat az utolsó hófödte jégkorszak végén fordul elő, ahol a fosszilis feljegyzésekben először találunk összetett többsejtű életet. Alacsony oxigénkoncentráció mellett és a nitrogénmegkötés kialakulása előtt a biológiailag hozzáférhető nitrogénvegyületek korlátozottan álltak rendelkezésre, és az időszakos “nitrogénválságok” az óceánt az élet számára barátságtalanná tehették. A jelentős oxigénkoncentráció csak az egyik előfeltétele volt az összetett élet kialakulásának. Az uniformitárius elveken alapuló modellek (azaz a mai óceánok dinamikájának a mély időbe való extrapolálása) azt sugallják, hogy ilyen koncentráció csak közvetlenül a metazoák első megjelenése előtt alakult ki a fosszilis feljegyzésekben. Továbbá, a korai kambriumban és a késő krétakorban is időközönként ismét előfordulnak anoxikus vagy más módon kémiailag “kellemetlen” óceáni körülmények, amelyek hasonlítanak azokra, amelyek feltételezhetően gátolják a makroszkopikus életet – anélkül, hogy ezekben az időkben nyilvánvalóan hatással lennének az életformákra. Ez arra utalhat, hogy az óceáni üledékekben talált geokémiai jelek a kambrium előtt másképp tükrözik a légkört – talán a tápanyagkörforgás alapvetően eltérő módjának eredményeként a planktivória hiányában.

Az oxigéndús légkör az időjárás révén foszfort és vasat szabadíthat fel a kőzetekből, és ezek az elemek aztán elérhetővé válnak olyan új fajok táplálására, amelyek anyagcseréje oxidok formájában igényli ezeket az elemeket.