O Grande Evento de Oxigenação teve o primeiro grande efeito no curso da evolução. Devido à rápida acumulação de oxigênio na atmosfera, muitos organismos que não dependiam do oxigênio para viver morreram. A concentração de oxigênio na atmosfera é freqüentemente citada como um possível contribuinte para fenômenos evolutivos em larga escala, como a origem da Ediacara biota multicelular, a explosão Cambriana, tendências no tamanho do corpo animal e outros eventos de extinção e diversificação.

O grande tamanho dos insetos e anfíbios no período Carbonífero, quando a concentração de oxigênio na atmosfera atingiu 35%, tem sido atribuído ao papel limitador da difusão no metabolismo desses organismos. Mas o ensaio de Haldane aponta que ele só se aplicaria a insetos. No entanto, a base biológica para esta correlação não é firme, e muitas linhas de evidência mostram que a concentração de oxigênio não é limitadora de tamanho nos insetos modernos. Não existe uma correlação significativa entre o oxigénio atmosférico e o tamanho máximo do corpo em qualquer outra parte do registo geológico. Restrições ecológicas podem explicar melhor o tamanho diminuto das libélulas pós-carboníferas – por exemplo, o aparecimento de competidores voadores como os pterossauros, aves e morcegos.

Aumento das concentrações de oxigênio têm sido citados como um dos vários motores para a diversificação evolutiva, embora os argumentos fisiológicos por trás desses argumentos sejam questionáveis, e um padrão consistente entre as concentrações de oxigênio e a taxa de evolução não é claramente evidente. A ligação mais célebre entre oxigénio e evolução ocorre no final da última das glaciações Bola de Neve, onde a vida multicelular complexa é encontrada pela primeira vez no registo fóssil. Sob baixas concentrações de oxigênio e antes da evolução da fixação de nitrogênio, os compostos de nitrogênio biologicamente disponíveis estavam em suprimento limitado e as “crises de nitrogênio” periódicas poderiam tornar o oceano inóspito à vida. Concentrações significativas de oxigénio eram apenas um dos pré-requisitos para a evolução da vida complexa. Modelos baseados em princípios uniformitários (isto é, extrapolando a dinâmica oceânica actual para o tempo profundo) sugerem que tal concentração só foi alcançada imediatamente antes do aparecimento dos metazoários no registo fóssil. Além disso, condições oceânicas anóxicas ou quimicamente “desagradáveis” que se assemelham àquelas que supostamente inibem a vida macroscópica, reaparecem em intervalos através do Cambriano primitivo, e também no Cretáceo tardio – sem efeito aparente nas formas de vida nesses momentos. Isto pode sugerir que as assinaturas geoquímicas encontradas nos sedimentos oceânicos refletem a atmosfera de uma maneira diferente antes do Cambriano – talvez como resultado do modo fundamentalmente diferente de ciclo de nutrientes na ausência de planktivory.

Uma atmosfera rica em oxigênio pode liberar fósforo e ferro da rocha, pela meteorização, e estes elementos tornam-se então disponíveis para o sustento de novas espécies cujos metabolismos requerem estes elementos como óxidos.