El Gran Evento de Oxigenación tuvo el primer efecto importante en el curso de la evolución. Debido a la rápida acumulación de oxígeno en la atmósfera, muchos organismos que no dependían del oxígeno para vivir murieron.La concentración de oxígeno en la atmósfera se cita a menudo como un posible contribuyente a los fenómenos evolutivos a gran escala, como el origen de la biota multicelular Ediacara, la explosión del Cámbrico, las tendencias en el tamaño del cuerpo de los animales y otros eventos de extinción y diversificación.

El gran tamaño de los insectos y anfibios en el período Carbonífero, cuando la concentración de oxígeno en la atmósfera alcanzaba el 35%, se ha atribuido al papel limitante de la difusión en el metabolismo de estos organismos. Pero el ensayo de Haldane señala que sólo se aplicaría a los insectos. Sin embargo, la base biológica de esta correlación no es firme, y muchas líneas de evidencia muestran que la concentración de oxígeno no es limitante del tamaño en los insectos modernos. No existe una correlación significativa entre el oxígeno atmosférico y el tamaño corporal máximo en ninguna otra parte del registro geológico. Las limitaciones ecológicas pueden explicar mejor el tamaño diminuto de las libélulas posteriores al Carbonífero, por ejemplo, la aparición de competidores voladores como los pterosaurios, las aves y los murciélagos.

El aumento de las concentraciones de oxígeno se ha citado como uno de los diversos impulsores de la diversificación evolutiva, aunque los argumentos fisiológicos en los que se basan estos argumentos son cuestionables, y no es claramente evidente un patrón consistente entre las concentraciones de oxígeno y la tasa de evolución. El vínculo más célebre entre el oxígeno y la evolución se produce al final de la última de las glaciaciones de la Bola de Nieve, donde se encuentra por primera vez vida multicelular compleja en el registro fósil. Con bajas concentraciones de oxígeno y antes de la evolución de la fijación del nitrógeno, los compuestos de nitrógeno biológicamente disponibles eran limitados y las «crisis de nitrógeno» periódicas podían hacer el océano inhóspito para la vida. Las concentraciones significativas de oxígeno eran uno de los requisitos previos para la evolución de la vida compleja. Los modelos basados en principios uniformitarios (es decir, que extrapolan la dinámica oceánica actual a tiempos profundos) sugieren que dicha concentración sólo se alcanzó inmediatamente antes de que los metazoos aparecieran por primera vez en el registro fósil. Además, las condiciones oceánicas anóxicas o químicamente «desagradables» que se asemejan a las que supuestamente inhiben la vida macroscópica vuelven a producirse a intervalos a lo largo del Cámbrico temprano, y también en el Cretácico tardío, sin ningún efecto aparente sobre las formas de vida en estas épocas. Esto podría sugerir que las firmas geoquímicas encontradas en los sedimentos oceánicos reflejan la atmósfera de una manera diferente antes del Cámbrico – tal vez como resultado del modo fundamentalmente diferente del ciclo de nutrientes en la ausencia de planktivory.

Una atmósfera rica en oxígeno puede liberar el fósforo y el hierro de la roca, por la intemperie, y estos elementos entonces se convierten en disponibles para el sustento de nuevas especies cuyos metabolismos requieren estos elementos como óxidos.