大酸化現象は進化の過程に最初の大きな影響を及ぼした。 多細胞のエディアカラ生物群の起源、カンブリア紀の爆発、動物の体格の傾向、その他の絶滅や多様化の現象など、大規模な進化現象に大気中の酸素濃度が寄与した可能性がしばしば指摘される。

大気中の酸素濃度が35％に達した石炭紀に昆虫や両生類が大きくなったのは、これらの生物の代謝において拡散が制限的な役割を果たしたためとされてきた。 しかし、Haldaneのエッセイでは、それが昆虫にしか当てはまらないだろうと指摘されている。 しかし、この相関関係の生物学的根拠は確固としたものではなく、現代の昆虫では酸素濃度がサイズ制限にならないことを示す証拠が多数ある。 また、地質学的記録の他の場所でも、大気中の酸素と最大体長の間に有意な相関は見られない。 例えば、翼竜、鳥類、コウモリなどの飛翔する競争相手の出現などである。

酸素濃度の上昇は、進化の多様化を促すいくつかの要因の一つとして挙げられるが、そうした議論の背後にある生理学的論拠は疑問であり、酸素濃度と進化の速度の間の一貫したパターンは明確には明らかにされていない。 酸素と進化の関連で最も有名なのは、雪球氷河期の最後の時期に、複雑な多細胞生物が化石記録で初めて発見されたことである。 酸素濃度が低く、窒素固定が進化する以前は、生物学的に利用可能な窒素化合物の供給が限られており、周期的な「窒素危機」によって海が生命にとって住みにくい環境になることがあった。 酸素濃度が高いことは、複雑な生命が進化するための必要条件のひとつに過ぎない。 均一主義に基づくモデル（すなわち、現在の海洋力学を深い時間に外挿すること）によれば、そのような濃度に達したのは、メタゾアが化石記録に初めて登場する直前であることが示唆されている。 さらに、カンブリア紀初期や白亜紀後期にも、巨視的生命を抑制するような無酸素状態や化学的に「厄介な」海洋状態が一定間隔で再発しているが、これらの時代の生命体には明らかな影響がない。 このことは、海洋堆積物に見られる地球化学的な特徴が、カンブリア紀以前の大気を異なる形で反映していることを示唆しているのかもしれません。