地球上大部分的氧气来自植物和光合细菌的光合作用,在生命起源初期,一些单细胞生物开始利用大气中的二氧化碳来创造能量,氧气是副产品。在植物创造出富含氧气的环境之后,动物生命才开始出现并且繁荣。最终,产生了足够的氧气并成为大气的主要组成部分达到平衡,地球上的氧含量在几亿年里保持相当稳定。
大部分光合作用的氧气来自海洋,包括蓝细菌和海洋浮游生物。一些科学家估计超过一半的氧气来自海洋光合生物。
地球历史的前半段大气中都没有氧气,大多数科学家认为,直到大约24亿年前,大氧化事件(Great Oxidation Event,GOE)发生时,大气中氧气的才开始上升。氧气水平的突然上升是由于光合微生物蓝藻细菌。光合生物能够产生氧气与大气中的实际氧气含量增加之间存在着显著的时间间隔。最初,由蓝细菌产生的氧气被用来与土壤、岩石和海洋中的铁反应,形成氧化铁化合物和矿物质,地质学家就是通过观察岩石中的铁元素来估算古代大气中的氧含量。据估计,大约在23亿年前,大气中的含量已经仅仅上升到大约不到1%。还要再过10亿年——科学家们称之为“无聊的10亿”——氧气水平才上升到足以让动物进化的程度。在地球历史上的某个时候,氧气水平急剧上升到现在的水平,一些科学家认为这可能发生在6亿年前。在这段时间内,许多相对较大的、复杂的多细胞生物进化出现似乎需要更高的氧气水平。然而,目前尚不清楚是什么导致了这种变化。有趣的是,这一现象发生的时候,地球似乎正从一个巨大的冰河时代开始,在这个时期,地球上大部分都被冰覆盖着。有一种理论认为,冰川的作用,会把富含磷的岩石磨碎,并将大量的磷释放到海洋中。磷是浮游植物的一种重要营养物质,因此这可能导致了这种生命形式的爆发,这反过来又会增加氧气的产量。然而,并不是所有的科学家都同意这一理论,目前这个问题仍然没有得到解决。
除了光合作用之外,当太阳的紫外线辐射分解水分子时,也会产生少量的氧气。这只占了大气中氧气的2%,而光合作用产生的氧气占了98%。