Le grand événement d’oxygénation a eu le premier effet majeur sur le cours de l’évolution. En raison de l’accumulation rapide d’oxygène dans l’atmosphère, de nombreux organismes qui ne dépendaient pas de l’oxygène pour vivre sont morts.La concentration d’oxygène dans l’atmosphère est souvent citée comme un contributeur possible à des phénomènes évolutifs à grande échelle, tels que l’origine du biote multicellulaire d’Ediacara, l’explosion cambrienne, les tendances de la taille du corps des animaux et d’autres événements d’extinction et de diversification.

La grande taille des insectes et des amphibiens au Carbonifère, lorsque la concentration d’oxygène dans l’atmosphère atteignait 35%, a été attribuée au rôle limitant de la diffusion dans le métabolisme de ces organismes. Mais l’essai de Haldane souligne que cela ne s’appliquerait qu’aux insectes. Cependant, la base biologique de cette corrélation n’est pas solide, et de nombreux éléments de preuve montrent que la concentration d’oxygène ne limite pas la taille des insectes modernes. Il n’y a pas de corrélation significative entre l’oxygène atmosphérique et la taille maximale du corps ailleurs dans les archives géologiques. Les contraintes écologiques peuvent mieux expliquer la taille diminuée des libellules post-Carbonifère – par exemple, l’apparition de concurrents volants tels que les ptérosaures, les oiseaux et les chauves-souris.

L’augmentation des concentrations d’oxygène a été citée comme l’un des nombreux moteurs de la diversification évolutive, bien que les arguments physiologiques qui sous-tendent ces arguments soient discutables, et qu’un modèle cohérent entre les concentrations d’oxygène et le taux d’évolution ne soit pas clairement évident. Le lien le plus célèbre entre l’oxygène et l’évolution se produit à la fin de la dernière des glaciations « boule de neige », où l’on trouve pour la première fois une vie multicellulaire complexe dans les archives fossiles. Sous de faibles concentrations d’oxygène et avant l’évolution de la fixation de l’azote, les composés azotés biologiquement disponibles étaient en quantité limitée et des « crises d’azote » périodiques pouvaient rendre l’océan inhospitalier pour la vie. Des concentrations significatives d’oxygène n’étaient qu’une des conditions préalables à l’évolution de la vie complexe. Les modèles fondés sur des principes uniformes (c’est-à-dire l’extrapolation de la dynamique océanique actuelle dans les temps profonds) suggèrent qu’une telle concentration n’a été atteinte qu’immédiatement avant l’apparition des métazoaires dans les archives fossiles. En outre, des conditions océaniques anoxiques ou chimiquement  » désagréables « , qui ressemblent à celles censées inhiber la vie macroscopique, se reproduisent à intervalles réguliers au début du Cambrien et à la fin du Crétacé, sans effet apparent sur les formes de vie à ces époques. Cela pourrait suggérer que les signatures géochimiques trouvées dans les sédiments océaniques reflètent l’atmosphère d’une manière différente avant le Cambrien – peut-être en raison du mode fondamentalement différent du cycle des nutriments en l’absence de plancton.

Une atmosphère riche en oxygène peut libérer le phosphore et le fer des roches, par altération, et ces éléments deviennent alors disponibles pour la subsistance de nouvelles espèces dont les métabolismes nécessitent ces éléments sous forme d’oxydes.

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