到30億年前，天空明淨起來，地球慢慢變涼，地球表麵開始發生細微的變化。雖然火山繼續噴發著，但是在廣闊的淺水區和沸騰的泥窪裏，充滿了細菌和原始藻類。潮汐水塘被一層藍綠色的有生命的粘液覆蓋著，疊層石隨處可見。在深海的熱液活動區細菌也一樣繁生。石灰石沉積和新的光合作用生物繼續使大氣中的二氧化碳濃度降低，氣候更加涼爽了。
大氣中的二氧化碳可以吸收地球表麵的熱輻射。二氧化碳濃度的增高，使吸收的熱量增加了，氣候變暖了，這一現象稱為溫室效應。科學家們認為，地球的早期階段，也進行著類似的過程，隻不過是二氧化碳的濃度下降使地球的氣候變冷，而不是變暖而已。
地球上最早的生命形式是微小的單細胞生命。隨後出現了多細胞生命，這是進化中最有爭議性、最神秘的階段。有機體獲得了細胞，而細胞是由一個細胞核和特殊的細胞內結構組成的。多細胞生命是否是由已存在的單細胞生命簡單地演化來的?或者根據細胞內結構的共生性，是否可以認為多細胞生命是由簡單的單細胞生命和大分子物質結合而成的呢?不管是何種方式，多細胞的海洋生物出現於20～30億年前。沒有人確切知道這是在什麼時候發生的，是怎樣發生的。來自化石和岩石的證據表明，在多細胞生命的演化過程中，大氣中氧氣的出現是一個關鍵的因素。
在20～30億年前，地球的大氣主要是二氧化碳和水蒸氣，因為這時還沒有辦法產生大量的氧氣。但在某種程度上，早期光合生物製造的氧氣已經開始在大氣中富集；製造出來的氧氣要多於消耗掉的氧氣。古代沉積物的鏽化痕跡，為追溯大氣中氧氣的演化過程提供了線索。氧氣是一種非常活躍的氣體，當它與鐵結合時，會生成鐵鏽。在氧氣成為大氣的主要部分之前，黑色的富鐵沉積物從陸地上剝離並被搬運到海洋，過了一段時間，這些沉積於海底的物質被埋藏，最終硬化成岩。全世界，年齡在38～23億年的岩石是由黑色的富鐵層與淺色的貧鐵層交互形成的，被稱為條紋鐵岩石。黑色層表明，鐵進入海洋時並沒有與氧氣發生反應，而淺色層則代表了某種季節性的波動。
大約20億年前，條紋鐵沉積消失了，紅色地層開始形成。這些紅色地層是鐵受到大氣中氧氣的氧化而形成的紅色的岩層，它們表明，大氣中的氧氣濃度已經可以使陸地上沉積物中的鐵發生氧化。在北美西南部和大峽穀的紅色岩牆是由於沉積物暴露於富氧大氣中，使沉積物中的鐵大量氧化而形成的。大氣已經開始向富氧性轉化。
20億年前，早期的海洋藻類和細菌繁殖著，進行著光合作用，向大氣中釋放的氧氣越來越多。然而，地球表麵上的環境條件仍極不利於海洋生命的生長。當大氣中的氧分子電離形成臭氧，地球表麵就能免受紫外線的傷害。早期的地球，大氣中沒有足夠的氧氣，不能形成臭氧來保護地球表麵的有機體免受陽光的直接烤曬。另外，有機體利用氧氣與有機物質反應而獲得能量，這個過程稱為氧化作用。但是氧氣在反應中如此活躍，所以細胞必須進化出一種方式來利用這一強大的能源，而不至於在氧化過程中傷到自己。太陽能對地球上大多數的生命形式而言，仍是一種相對不可利用的能源，生命的生長受到了限製。