在宇宙诞生时，只有氢和氦两种元素。除了这两种元素外，宇宙中所有的其他元素（天文学中统称为“重元素”）都是从恒星中产生的。氧也不例外。
当第一代恒星消亡后，氧就在宇宙中普遍存在了。我们的太阳系中的太阳至少是第二代恒星，也就是说，当太阳系诞生时，氧已经在太阳系中各星球上了。但由于氧元素具有相当强的氧化性，所以在宇宙中（不包括恒星）氧基本上都是以化合物的形式存在的，只在有大气层的星球上才会有微量的游离氧。而且这些氧气也是太阳紫外线光解水产生的。
地球形成时，氧也是以化合物的形式存在的，如各种元素的氧化物和含氧的盐类，没有游离的氧气。地球上的氧气都是由绿色植物（包括光合细菌）通过光合作用产生的。
地球生命诞生于大约距今38亿年前，最初的生命都是厌氧的，不能产生游离氧气，也不能接触游离氧气。这种情况一直延续到距今约25～26亿年前。在这时，含有光合色素的细菌（蓝细菌）出现了，光合色素能够利用光线中的能量和无机物，形成有机物，并把其中结合态的氧作为废物排出来，这使地球上第一次出现了游离氧气。但氧气并没有在大气层中积累下来，因为氧的强氧化性，刚刚出现的氧都与其他元素结合了，重新被固定。这种情况又持续了1亿多年。到距今约24亿年前，地壳中的各种元素终于无法完全吸收由蓝细菌产生出的氧气，地球大气层中出现了游离氧气。
氧气的出现，使地球生命遭遇到了大危机。因为当时的地球上，除了蓝细菌外，没有任何生物具有对氧的抵抗能力，在氧的氧化作用下，地球生物大量灭绝。但生物很快就进化出了利用和抵抗氧的能力，地球生命迅速恢复。到距今5亿多年前的寒武纪，大气层中的氧气含量已经超过了10%，并引发了“寒武纪生命大爆发”。到距今约3亿年前的石炭纪，地球大气中的氧含量达到峰值，达到35%。然而，二叠纪末期的生物大灭绝，使地球生命再受重创，大气中的氧含量随之下降，此后就再也没有恢复到25%以上。
