地球的大氣層形成初期是不含氧氣的。原始大氣是還原性的，充滿了甲烷、氨等氣體。大氣層氧氣的出現源於兩種作用，一個是非生物參與的水的光解，一個是生物參與的光合作用。生物的光合作用對大氣層的影響巨大，它造成了大氣層由還原氛圍向氧化氛圍的轉變，使得水光解產生的氫氣能重新被氧化為水回到地球而不至於擴散到外層空間去，從而防止了地球上的水的流失。同時光合作用也加速了大氣層氧氣的積累，深刻地改變了地球上物種的代謝方式和形態。大氣層含氧量在石炭紀的時候一度上升到了35％。氧氣含量的增加造成了依賴於滲透方式輸氧的昆蟲在形態上的巨型化，在石炭紀曾出現過翼展達一米的巨脈蜻蜒。
    有德國學者認為，世界上很早發現氧氣的是中國唐朝的煉丹家馬和。馬和認真地觀察各種可燃物，如木炭、硫黃等在空氣中燃燒的情況後，提出的結論是：......