Marele eveniment de oxigenare a avut primul efect major asupra cursului evoluției. Din cauza acumulării rapide de oxigen în atmosferă, multe organisme care nu se bazau pe oxigen pentru a trăi au murit. concentrația de oxigen din atmosferă este adesea citată ca un posibil contributor la fenomenele evolutive la scară largă, cum ar fi originea biotei pluricelulare Ediacara, explozia cambriană, tendințele în ceea ce privește dimensiunea corpului animalelor și alte evenimente de extincție și diversificare.
Dimensiunile mari ale insectelor și amfibienilor în perioada Carboniferă, când concentrația de oxigen din atmosferă a ajuns la 35%, au fost atribuite rolului limitativ al difuziei în metabolismul acestor organisme. Dar eseul lui Haldane subliniază că acest lucru s-ar aplica doar la insecte. Cu toate acestea, baza biologică a acestei corelații nu este fermă, iar multe linii de dovezi arată că concentrația de oxigen nu este limitatoare de dimensiune la insectele moderne. Nu există o corelație semnificativă între oxigenul atmosferic și dimensiunea maximă a corpului în altă parte în arhiva geologică. Constrângerile ecologice pot explica mai bine dimensiunile reduse ale libelulelor postcarbonice – de exemplu, apariția concurenților zburători, cum ar fi pterozaurii, păsările și liliecii.
Concentrațiile crescute de oxigen au fost citate ca fiind unul dintre mai mulți factori de diversificare evolutivă, deși argumentele fiziologice care stau la baza acestor argumente sunt discutabile, iar un model consistent între concentrațiile de oxigen și rata de evoluție nu este clar evident. Cea mai celebră legătură dintre oxigen și evoluție are loc la sfârșitul ultimei glaciațiuni Snowball, unde viața multicelulară complexă este găsită pentru prima dată în registrul fosilelor. În condiții de concentrații scăzute de oxigen și înainte de evoluția fixării azotului, compușii de azot disponibili din punct de vedere biologic erau în cantitate limitată, iar „crizele de azot” periodice puteau face ca oceanul să devină inospitalier pentru viață. Concentrațiile semnificative de oxigen au fost doar una dintre condițiile prealabile pentru evoluția vieții complexe. Modelele bazate pe principii uniformitare (adică extrapolarea dinamicii oceanice actuale în timpuri adânci) sugerează că o astfel de concentrație a fost atinsă doar imediat înainte ca metazoarele să apară pentru prima dată în înregistrările fosile. Mai mult, condițiile oceanice anoxice sau „neplăcute” din punct de vedere chimic, care se aseamănă cu cele care se presupune că ar inhiba viața macroscopică, reapar la intervale de timp în Cambrianul timpuriu și, de asemenea, în Cretacicul târziu – fără niciun efect aparent asupra formelor de viață din aceste perioade. Acest lucru ar putea sugera că semnăturile geochimice găsite în sedimentele oceanice reflectă atmosfera într-un mod diferit înainte de Cambrian – poate ca rezultat al modului fundamental diferit de ciclism al nutrienților în absența planctonului.
O atmosferă bogată în oxigen poate elibera fosfor și fier din roci, prin meteorizare, iar aceste elemente devin apoi disponibile pentru susținerea unor noi specii ale căror metabolisme necesită aceste elemente sub formă de oxizi.