يشكّل الأكسجين نحو ٢٠.٩٥% من الغلاف الجوي للأرض، وهي نسبة تجعل هذا الغاز أحد أهم مكوّنات الهواء وأكثرها تأثيراً في استمرار الحياة. وتُعد هذه النسبة ثابتة نسبياً في الظروف الطبيعية، إذ تتيح للكائنات الحية التنفس وتحافظ على توازن العمليات الحيوية والاحتراق في البيئة، بينما يشكّل النيتروجين النسبة الأكبر من الغلاف الجوي.

يوجد الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي غالبًا في صورة جزيئات ثنائية الذرة، إذ يتكوّن كل جزيء أكسجين من ذرتين مرتبطتين برابطة تساهمية. وتُعد هذه الصورة أكثر استقرارًا من وجود ذرات الأكسجين منفردة في الظروف المعتادة، كما تؤدي جزيئات الأكسجين دورًا أساسيًا في التنفس الخلوي وعمليات الاحتراق والتفاعلات الكيميائية المؤكسدة.

تكوّن الغلاف الجوي الحالي للأرض تدريجيًا بعد أن أطلقت البراكين كميات هائلة من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون وغازات أخرى إلى السطح. ثم تغير تركيبه مع الزمن نتيجة النشاط الجيولوجي وظهور الكائنات الحية التي أضافت الأكسجين إلى الهواء.

بدأ الأكسجين الحر بالتراكم في الغلاف الجوي قبل نحو ٢.٤ مليار سنة خلال حدث يُعرف بالأكسدة الكبرى، بعد انتشار كائنات مجهرية قادرة على البناء الضوئي مثل البكتيريا الزرقاء. وقد ظهر البناء الضوئي المنتج للأكسجين قبل ذلك، لكن جزءًا كبيرًا من الأكسجين تفاعل أولًا مع الحديد والمواد الموجودة في البحار والصخور.

تكوّن الغلاف الجوي الأول للأرض من غازات انطلقت من باطن الكوكب والبراكين خلال مراحله المبكرة، واحتوى على بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وكميات من الميثان والهيدروجين وغازات أخرى. ولم يكن تركيبه مماثلًا للهواء الحالي، كما كان سطح الأرض أكثر حرارة ونشاطًا بركانيًا.