Wielkie Wydarzenie Tlenowe miało pierwszy poważny wpływ na przebieg ewolucji. Z powodu szybkiego nagromadzenia tlenu w atmosferze zginęło wiele organizmów, których życie nie zależało od tlenu. Stężenie tlenu w atmosferze jest często wymieniane jako możliwy czynnik przyczyniający się do zjawisk ewolucyjnych na dużą skalę, takich jak powstanie wielokomórkowej fauny i flory Ediacara, eksplozja kambryjska, tendencje w wielkości ciała zwierząt i inne przypadki wymierania i różnicowania.

Duży rozmiar owadów i płazów w okresie karbonu, kiedy stężenie tlenu w atmosferze osiągnęła 35%, został przypisany do ograniczającej roli dyfuzji w metabolizmie tych organizmów. Ale esej Haldane’a zwraca uwagę, że dotyczyłoby to tylko owadów. Biologiczne podstawy tej korelacji nie są jednak mocne, a wiele dowodów wskazuje na to, że stężenie tlenu nie jest ograniczające dla rozmiarów współczesnych owadów. Nie ma znaczącej korelacji między atmosferycznego tlenu i maksymalnej wielkości ciała gdzie indziej w zapisie geologicznym. Ekologiczne ograniczenia mogą lepiej wyjaśnić zmniejszenie rozmiaru post-Carboniferous ważki – na przykład, pojawienie się latających konkurentów, takich jak pterozaury, ptaków i bats.

Rosnące stężenie tlenu zostały wymienione jako jeden z kilku kierowców dla ewolucyjnego zróżnicowania, chociaż fizjologiczne argumenty za takimi argumentami są wątpliwe, a spójny wzór między stężeniem tlenu i tempo ewolucji nie jest wyraźnie widoczne. Najbardziej znany związek między tlenem i ewolucją występuje pod koniec ostatniego ze zlodowaceń kuli śnieżnej, gdzie złożone życie wielokomórkowe jest po raz pierwszy znalezione w zapisie kopalnym. Przy niskich stężeniach tlenu i przed ewolucją wiązania azotu, biologicznie dostępne związki azotu były w ograniczonej ilości i okresowe „kryzysy azotowe” mogły uczynić ocean niegościnnym dla życia. Znaczne stężenie tlenu było tylko jednym z warunków koniecznych do ewolucji złożonego życia. Modele oparte na zasadach uniformitarnych (tj. ekstrapolujące dzisiejszą dynamikę oceanu w głąb czasu) sugerują, że takie stężenie zostało osiągnięte dopiero tuż przed pojawieniem się metazoa w zapisie kopalnym. Co więcej, anoksyczne lub w inny sposób chemicznie „paskudne” warunki oceaniczne, które przypominają te mające hamować życie makroskopowe, pojawiają się ponownie w odstępach czasu we wczesnym kambrze, a także w późnej kredzie – bez widocznego wpływu na formy życia w tych czasach. Może to sugerować, że sygnatury geochemiczne znalezione w osadach oceanicznych odzwierciedlają atmosferę w inny sposób przed kambrem – być może w wyniku zasadniczo innego trybu obiegu składników odżywczych przy braku planktivory.

Atmosfera bogata w tlen może uwalniać fosfor i żelazo ze skał, przez wietrzenie, a elementy te stają się dostępne dla utrzymania nowych gatunków, których metabolizm wymaga tych elementów jako tlenków.

.