Den stora syretillförseln hade den första stora effekten på evolutionens gång. På grund av den snabba uppbyggnaden av syre i atmosfären dog många organismer som inte var beroende av syre för att leva. koncentrationen av syre i atmosfären anges ofta som en möjlig bidragande orsak till storskaliga evolutionära fenomen, såsom uppkomsten av den flercelliga Ediacara-biotan, den kambriska explosionen, trender i djurens kroppsstorlek och andra utdöende och diversifierande händelser.

Den stora storleken på insekter och amfibier under karbonperioden, när syrekoncentrationen i atmosfären nådde 35 %, har tillskrivits diffusionens begränsande roll i dessa organismers ämnesomsättning. Men Haldane påpekar i sin uppsats att detta endast skulle gälla för insekter. Den biologiska grunden för detta samband är dock inte fast, och många bevis visar att syrekoncentrationen inte är storleksbegränsande hos moderna insekter. Det finns ingen signifikant korrelation mellan atmosfäriskt syre och maximal kroppsstorlek någon annanstans i det geologiska registret. Ekologiska begränsningar kan bättre förklara den minskade storleken hos trollsländor efter karbonatiden – till exempel uppkomsten av flygande konkurrenter som pterosaurier, fåglar och fladdermöss.

Stigande syrekoncentrationer har anförts som en av flera drivkrafter för evolutionär diversifiering, även om de fysiologiska argumenten bakom sådana argument kan ifrågasättas och ett konsekvent mönster mellan syrekoncentrationer och utvecklingshastighet inte är klart uppenbart. Den mest berömda kopplingen mellan syre och evolution sker i slutet av den sista av snöbollsglaciationerna, där komplext flercelligt liv för första gången påträffas i fossilregistret. Vid låga syrekoncentrationer och före utvecklingen av kvävefixering var tillgången på biologiskt tillgängliga kväveföreningar begränsad och periodiska ”kvävekriser” kunde göra havet ogästvänligt för liv. Betydande koncentrationer av syre var bara en av förutsättningarna för utvecklingen av komplext liv. Modeller som bygger på uniformitära principer (dvs. som extrapolerar dagens havsdynamik in i djup tid) tyder på att en sådan koncentration endast uppnåddes omedelbart innan metazoer för första gången dök upp i de fossila arkiven. Vidare återkommer anoxiska eller på annat sätt kemiskt ”otäcka” förhållanden i havet som liknar dem som antas hämma makroskopiskt liv med jämna mellanrum under tidiga kambrium och även under sena kritaperioden – utan någon uppenbar effekt på livsformerna vid dessa tidpunkter. Detta kan tyda på att de geokemiska signaturer som hittas i havssediment återspeglar atmosfären på ett annat sätt före kambriskan – kanske som ett resultat av det fundamentalt annorlunda sättet att cirkulera näringsämnen i avsaknad av planktivori.

En syrerik atmosfär kan frigöra fosfor och järn från berg genom vittring, och dessa grundämnen blir då tillgängliga för att ge näring åt nya arter vars ämnesomsättning kräver dessa grundämnen i form av oxider.