从近几十年的观测来看，受温室效应影响，大气含氧量正在缓慢下降，但幅度极小，基本没有影响。而把目光放到整个地球史上，大气含氧量一直处于剧烈波动状态。
最早的氧气可能来自于光合细菌，也有可能来自于地球内部，由火山爆发而来。
约35亿年前出现了最早的光合细菌（蓝藻），但并不意味着当时的大气中就有了氧气，因为有限的氧气会被快速的消耗掉。在地球形成的最初20多亿年里，大气一直处于缺氧状态，可能与熔岩冷却消耗有关。24亿年前地球发生了一次“大氧气事件（GOE）”，大气中的含氧量达到1-3%。
这种低氧环境一直持续到6-7亿年前，“雪球地球”时期结束后，大气含氧量迅速提升，推测是因为大面积的浅海使得蓝藻爆发性生长，释放出大量氧气，大气含氧量从1-3%上升到10-12%。由于含氧量升高，促成了“埃迪卡拉纪生物群”和“寒武纪生命大爆发”的产生，地球开始变得热闹起来。
到了距今约3亿年的石炭纪末二叠纪初，大气含氧量达到历史最高值，接近35%，整个石炭纪的平均大气含氧量约32.3%，所以石炭纪出现了很多巨型昆虫，比如翼展可达70厘米的巨脉蜻蜓和体长70厘米的普莫诺蝎。但氧浓度只对低等动物的体型有影响，因为它们的呼吸方式很特殊，而对高等动物没有影响。因为大气含氧量高，很容易引发森林大火，整个石炭纪基本都处于大火之中。
二叠纪末，地球史上最严重的一次生物大灭绝发生，绝大多数物种灭绝了，西伯利亚地区发生大规模的熔岩涌流，地壳内部的二氧化碳和甲烷大量喷出，大气含氧量急剧下降。到了三叠纪中期，生物群落恢复，地球温度升高，恐龙崛起。恐龙时代大气含氧量也一直在大幅波动，有时甚至会下降到15%以下。所以，恐龙的体型与大气含氧量没有关系。
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