Yerküre tarihi
Proterozoyik > Oksijen devrimi

Ana madde: Büyük Oksidasyon Olayı
Ayrıca bakınız: Ozon tabakası
İlk hücreler, çevredeki ortamdan enerji ve besin aldı. Daha karmaşık bileşiklerin görece daha az enerjiyle daha basit bileşiklere parçalanmasını sağlayan fermantasyon süreciyle serbest kalan enerjiyi, büyümek ve çoğalmak için kullandılar. Fermantasyon sadece anaerobik (oksijensiz) bir ortamda gerçekleşebilir. Fotosentezin evrimi, hücrelerin Güneş'ten enerji elde etmesini mümkün kıldı.
Yerküre yüzeyini kaplayan canlıların çoğu, doğrudan veya dolaylı olarak fotosenteze bağlıdır. En yaygın şekli olan oksijenli fotosentez, karbondioksit, su ve güneş ışığını besine dönüştürür. Fotosentez, Güneş ışığının enerjisini yakalayarak ATP gibi enerji açısından zengin moleküllerde depolar ve sonrasında bu moleküller şeker üretmek için hücrelere enerji sağlar. Fotosentezde kullanılan elektronlar, hidrojenin sudan sıyrılmasıyla elde edilir ve arta kalan oksijen atık ürün olarak doğaya bırakılır. Mor bakteriler ve yeşil kükürt bakterileri de dahil bazı canlılar, elektron verici olarak sudan sıyrılan hidrojen yerine başka alternatiflerin kullanıldığı oksijensiz bir fotosentez biçimi gerçekleştirirler. Bu tarz su kullanmayan fotosentez biçimlerindeki elektron kaynaklarına örnek olarak hidrojen sülfür, kükürt ve demir verilebilir. Bu bileşikleri kullanarak fotosentez yapan ekstremofil canlıların yaşadığı yerler, kaplıca ve hidrotermal bacalar gibi ortamlarla sınırlıdır.
Daha basit bir oksijensiz fotosentez türü, yaşamın başlangıcından nispeten kısa bir süre sonra, 3,8 milyar yıl önce ortaya çıktı. Oksijenli fotosentezin başlangıç tarihi daha tartışmalıdır. Oksijenli fotosentezin yaklaşık 2,4 milyar yıl önce ortaya çıkmış olduğu kesindir fakat bazı araştırmacılar bu tarihi daha eski olduğunu savunup 3,2 milyar yıl önce ortaya çıktığını öne sürer. Oksijenli fotosentezin ortaya çıkışıyla "canlı üretkenliği muhtemelen küresel olarak en az iki ila üç kat arttı". Oksijen üreten canlıların en eski kalıntıları arasında stromatolitler bulunur. Batı Avustralya'daki 3,48 milyar yıllık bir kumtaşında, stromatolitler gibi mikrobiyal mat fosilleri bulunduğu keşfedilmiştir. Grönland'ın güneybatısında keşfedilen 3,7 milyar yıllık metasedimanter kayaçlarda bulunan grafit ve Batı Avustralya'daki 4,1 milyar yıllık kayaçlarda bulunan "biyotik yaşam kalıntıları", biyojenik maddelere dair diğer erken dönem fiziksel kanıtlardır.
Fotosentezle salınan oksijen, ilk başta kireçtaşı, demir ve diğer minerallere kimyasal olarak bağlandı. Oksitlenmiş demir, Sideriyen Dönemi'nde (2,5 ile 2,3 milyar yıl öncesi aralığında) bol miktarda oluşan ve bantlı demir formasyonu adı verilen jeolojik katmanlarda kırmızı tabakalar hâlinde görünür. Açıkta bulunan ve kolayca tepkimeye giren minerallerin çoğunluğu oksitlendiğinde, nihayet atmosferde oksijen birikmeye başladı. Her hücre tek başına yok denecek kadar oksijen üretmiş olsa da, birçok hücrenin toplam metabolizmasıyla uzun bir süre boyunca oksijen üretmesi, Dünya'nın atmosferini dönüştürerek bugünkü durumuna getirdi. Bu yeni oluşan atmosfer, Dünya'nın üçüncü atmosferiydi.
Bir miktar oksijen Güneş'in ultraviyole radyasyonuyla uyarılarak ozon hâlini aldı ve atmosferin üst kısmına yakın bir tabakada toplandı. Ozon tabakası, bir zamanlar atmosferden geçmiş olan ultraviyole radyasyonu soğurdu ve soğurmaya da devam etmektedir. Ozon tabakası bu işleviyle, hücrelerin okyanus yüzeyinde ve en nihayetinde karada kolonileşmesini sağladı. Ozon tabakası olmasaydı, kara ve denizler üzerine yağan ultraviyole radyasyon bombardımanı, bu ışınlara maruz kalan hücrelerde  sürdürülemez seviyede mutasyonlara neden olurdu.
Fotosentezin bir başka etkisi daha oldu. Oksijen, zehirli bir elementtir. Atmosferdeki oksijen seviyesi arttıkça, oksijen felaketi olarak bilinen bir olay ile yerküredeki canlıların kayda değer bir kısmı tahminen yok oldu. Dirençli canlılar hayatta kalarak gelişirken kimi canlılar da metabolizmalarını artırmak ve aynı besinden daha fazla enerji elde etmek için oksijen kullanma yeteneğini geliştirdiler.