Het Grote Zuurstofevenement had het eerste grote effect op het verloop van de evolutie. Door de snelle toename van zuurstof in de atmosfeer stierven veel organismen die niet afhankelijk waren van zuurstof om te leven. De zuurstofconcentratie in de atmosfeer wordt vaak genoemd als een mogelijke oorzaak van grootschalige evolutionaire verschijnselen, zoals het ontstaan van de meercellige Ediacara biota, de Cambrische explosie, trends in de lichaamsgrootte van dieren en andere extinctie- en diversificatiegebeurtenissen.

De grote omvang van insecten en amfibieën in het Carboon, toen de zuurstofconcentratie in de atmosfeer 35% bereikte, is wel toegeschreven aan de beperkende rol van diffusie in het metabolisme van deze organismen. Maar in het essay van Haldane wordt erop gewezen dat dit alleen voor insecten zou gelden. De biologische basis voor deze correlatie is echter niet stevig, en vele bewijslijnen tonen aan dat de zuurstofconcentratie niet grootte-beperkend is bij moderne insecten. Er is geen significante correlatie tussen atmosferische zuurstof en maximale lichaamsgrootte elders in de geologische gegevens. Ecologische beperkingen kunnen de geringe grootte van libellen na het carboontijdperk beter verklaren – bijvoorbeeld het verschijnen van vliegende concurrenten zoals pterosauriërs, vogels en vleermuizen.

Stijgende zuurstofconcentraties zijn genoemd als een van de aanjagers van evolutionaire diversificatie, hoewel de fysiologische argumenten achter dergelijke argumenten twijfelachtig zijn, en een consistent patroon tussen zuurstofconcentraties en de snelheid van evolutie niet duidelijk is. Het meest gevierde verband tussen zuurstof en evolutie doet zich voor aan het eind van de laatste van de sneeuwbalijsters, waar complex meercellig leven voor het eerst in het fossielenbestand wordt aangetroffen. Bij lage zuurstofconcentraties en vóór de evolutie van de stikstoffixatie, waren de biologisch beschikbare stikstofverbindingen beperkt voorradig en periodieke “stikstofcrisissen” konden de oceaan onherbergzaam maken voor leven. Aanzienlijke zuurstofconcentraties waren slechts één van de voorwaarden voor de evolutie van complex leven. Modellen op basis van uniformistische principes (d.w.z. extrapolatie van de huidige oceaandynamiek naar de diepe tijd) suggereren dat een dergelijke concentratie pas werd bereikt vlak voordat metazoa voor het eerst in het fossielenbestand voorkwamen. Verder komen anoxische of anderszins chemisch “nare” omstandigheden in de oceanen, die lijken op de omstandigheden die verondersteld worden macroscopisch leven te remmen, met tussenpozen voor in het vroege Cambrium, en ook in het late Krijt – zonder een duidelijk effect op de levensvormen in deze perioden. Dit zou kunnen suggereren dat de geochemische signaturen in oceaansedimenten de atmosfeer op een andere manier weerspiegelen vóór het Cambrium – misschien als gevolg van de fundamenteel andere wijze van nutriëntencyclage in de afwezigheid van planktivoren.

Een zuurstofrijke atmosfeer kan fosfor en ijzer vrijmaken uit gesteente, door verwering, en deze elementen komen dan beschikbaar voor het levensonderhoud van nieuwe soorten wier metabolisme deze elementen als oxiden nodig heeft.