Il grande evento dell’ossigenazione ha avuto il primo grande effetto sul corso dell’evoluzione. A causa del rapido accumulo di ossigeno nell’atmosfera, molti organismi che non dipendevano dall’ossigeno per vivere morirono.La concentrazione di ossigeno nell’atmosfera è spesso citata come un possibile contributo ai fenomeni evolutivi su larga scala, come l’origine del biota multicellulare Ediacara, l’esplosione cambriana, le tendenze nelle dimensioni del corpo animale e altri eventi di estinzione e diversificazione.

Le grandi dimensioni degli insetti e degli anfibi nel periodo Carbonifero, quando la concentrazione di ossigeno nell’atmosfera raggiungeva il 35%, sono state attribuite al ruolo limitante della diffusione nel metabolismo di questi organismi. Ma il saggio di Haldane sottolinea che si applicherebbe solo agli insetti. Tuttavia, la base biologica di questa correlazione non è solida, e molte linee di prova dimostrano che la concentrazione di ossigeno non limita le dimensioni negli insetti moderni. Non c’è una correlazione significativa tra l’ossigeno atmosferico e la dimensione massima del corpo altrove nel record geologico. I vincoli ecologici possono spiegare meglio le dimensioni ridotte delle libellule post-carbonifere – per esempio, la comparsa di concorrenti volanti come gli pterosauri, gli uccelli e i pipistrelli.

L’aumento delle concentrazioni di ossigeno è stato citato come uno dei diversi fattori di diversificazione evolutiva, anche se gli argomenti fisiologici dietro tali argomenti sono discutibili, e un modello coerente tra le concentrazioni di ossigeno e il tasso di evoluzione non è chiaramente evidente. Il collegamento più celebre tra ossigeno ed evoluzione si verifica alla fine dell’ultima delle glaciazioni Snowball, dove la vita multicellulare complessa viene trovata per la prima volta nel record fossile. In condizioni di basse concentrazioni di ossigeno e prima dell’evoluzione della fissazione dell’azoto, i composti azotati biologicamente disponibili erano in quantità limitata e periodiche “crisi di azoto” potevano rendere l’oceano inospitale per la vita. Concentrazioni significative di ossigeno erano solo uno dei prerequisiti per l’evoluzione della vita complessa. I modelli basati su principi uniformitari (cioè estrapolando le dinamiche oceaniche odierne nel tempo profondo) suggeriscono che una tale concentrazione è stata raggiunta solo immediatamente prima che i metazoi apparissero per la prima volta nel record fossile. Inoltre, condizioni oceaniche anossiche o comunque chimicamente “sgradevoli” che assomigliano a quelle che si suppone inibiscano la vita macroscopica si ripresentano a intervalli nel primo Cambriano e anche nel tardo Cretaceo – senza alcun effetto apparente sulle forme di vita di questi tempi. Questo potrebbe suggerire che le firme geochimiche trovate nei sedimenti oceanici riflettono l’atmosfera in un modo diverso prima del Cambriano – forse come risultato della modalità fondamentalmente diversa del ciclo dei nutrienti in assenza di planktivory.

Un’atmosfera ricca di ossigeno può rilasciare fosforo e ferro dalle rocce, attraverso gli agenti atmosferici, e questi elementi diventano poi disponibili per il sostentamento di nuove specie il cui metabolismo richiede questi elementi come ossidi.