Dünya ilk oluştuğu zamanlarda atmosferi büyük oranda metan, karbonmonoksit, hidrojen sülfür ve amonyaktan oluşuyordu ve neredeyse hiç oksijen içermiyordu. Yapılan son araştırmalar, atmosferdeki oksijen miktarının yaklaşık 3 milyar yıl önce artmaya başladığını gösteriyor. 2,4 milyar yıl önce gerçekleştiği tahmin edilen Büyük Oksidasyon Olayı ile de oksijen atmosferin temel bileşenlerinden biri hâline geldi.
Jeolojik kayıtlar, yaklaşık 400 milyon yıl önce atmosferdeki oksijen oranının günümüzdeki seviyenin %50-%70’ine ulaştığını gösteriyor. Bu değişim biyolojik ve jeokimyasal süreçlerde ortaya çıkan farklılıklardan kaynaklanıyor. Örneğin oksijenli solunum yapan canlılar için kritik role sahip olan oksijenin tepkimeye girme isteği de çok yüksek. Bu nedenle yer kabuğunda bulunan demirle tepkimeye girerek demir oksit bileşiklerini (Pas olarak biliyoruz.) oluşturuyor, bitkilerin ve atmosferdeki metanın (Doğal gaz olarak biliyoruz.) yanmasına neden oluyor.
Jeolojik zaman ölçeğinde atmosferdeki oksijen miktarını düzenleyen iki süreç var. Atmosferdeki oksijen miktarının artmasının en önemli sebebi, fotosentez sonucu oluşan organik karbon bileşiklerinin yerin derinlerine gömülmesi. Bu sayede organik maddelerin yapısındaki karbonun büyük kısmı oksijenle tepkimeye girerek tekrar karbondiokside dönüşmüyor ve atmosferde kalan oksijen miktarı artıyor. Yer kabuğundaki minerallerin oksijenle tepkimeye girmesi sonucu oluşan kimyasal bileşikler ise atmosferdeki oksijen miktarını azaltıyor.
Günümüzde atmosferdeki oksijen oranı hacimce yaklaşık %20,95. Fotosentez sonucu yılda 2,5x1015 mol oksijen molekülü üretiliyor. Yaklaşık olarak aynı miktarda oksijen ise oksijenli solunumun yanı sıra organik maddelerin ve kayaçlardaki minerallerin oksijenle tepkimeye girmesi sonucu harcanıyor.
Sonuçları 2016’da Science dergisinde yayınlanan bir araştırmada ise atmosferdeki oksijen oranının son 800.000 yılda %0,7 azaldığı tespit edildi. Ancak bu değişimin neden kaynaklandığı bilinmiyor.
