Das Große Oxygenierungsereignis hatte die erste große Auswirkung auf den Verlauf der Evolution. Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre wird oft als möglicher Faktor für groß angelegte evolutionäre Phänomene angeführt, wie z. B. die Entstehung der mehrzelligen Ediacara-Biota, die kambrische Explosion, die Entwicklung der Körpergröße von Tieren und andere Ereignisse des Aussterbens und der Diversifizierung.

Die Größe von Insekten und Amphibien in der Karbonzeit, als die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre 35 % erreichte, wurde auf die begrenzende Rolle der Diffusion im Stoffwechsel dieser Organismen zurückgeführt. In seinem Aufsatz weist Haldane jedoch darauf hin, dass dies nur für Insekten gelte. Die biologische Grundlage für diese Korrelation ist jedoch nicht eindeutig, und viele Beweise zeigen, dass die Sauerstoffkonzentration bei modernen Insekten nicht größenbegrenzend ist. Es gibt keinen signifikanten Zusammenhang zwischen atmosphärischem Sauerstoff und maximaler Körpergröße in anderen geologischen Aufzeichnungen. Ökologische Zwänge können die geringe Größe der Libellen nach dem Karbon besser erklären – zum Beispiel das Auftreten von fliegenden Konkurrenten wie Pterosauriern, Vögeln und Fledermäusen.

Steigende Sauerstoffkonzentrationen wurden als eine von mehreren Triebkräften für die evolutionäre Diversifizierung angeführt, obwohl die physiologischen Argumente hinter solchen Argumenten fragwürdig sind und ein konsistentes Muster zwischen Sauerstoffkonzentrationen und der Evolutionsrate nicht eindeutig erkennbar ist. Die berühmteste Verbindung zwischen Sauerstoff und Evolution findet sich am Ende der letzten Schneeball-Eiszeit, als erstmals komplexes mehrzelliges Leben in den Fossilien nachgewiesen wurde. Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen und vor der Entwicklung der Stickstofffixierung waren biologisch verfügbare Stickstoffverbindungen nur begrenzt vorhanden, und periodische „Stickstoffkrisen“ konnten den Ozean für das Leben unwirtlich machen. Signifikante Sauerstoffkonzentrationen waren nur eine der Voraussetzungen für die Entwicklung von komplexem Leben. Modelle, die auf uniformitären Prinzipien beruhen (d. h., die die heutige Ozeandynamik in die Tiefe extrapolieren), legen nahe, dass eine solche Konzentration erst unmittelbar vor dem ersten Auftreten von Metazoen in der Fossilgeschichte erreicht wurde. Darüber hinaus treten anoxische oder anderweitig chemisch „unangenehme“ ozeanische Bedingungen, die denen ähneln, von denen angenommen wird, dass sie makroskopisches Leben hemmen, im frühen Kambrium und auch in der späten Kreidezeit immer wieder auf – ohne erkennbare Auswirkungen auf die Lebensformen zu diesen Zeiten. Dies könnte darauf hindeuten, dass die in den Ozeansedimenten gefundenen geochemischen Signaturen die Atmosphäre vor dem Kambrium auf andere Weise widerspiegeln – vielleicht als Ergebnis der grundlegend anderen Art des Nährstoffkreislaufs in Abwesenheit von Planktivorie.

Eine sauerstoffreiche Atmosphäre kann durch Verwitterung Phosphor und Eisen aus dem Gestein freisetzen, und diese Elemente werden dann für die Ernährung neuer Arten verfügbar, deren Stoffwechsel diese Elemente als Oxide benötigt.