Có lẽ tất cả các tế bào ban đầu đều là tế bào dị dưỡng, sử dụng những phân tử hữu cơ (kể cả từ những tế bào khác) như nguyên liệu sống và một nguồn năng lượng. Vì nguồn cung cấp dinh dưỡng hạn chế, một số tế bào đã phát triển cách thức hấp thụ dinh dưỡng mới. Thay vì dựa vào số lượng các phân tử hữu cơ tồn tại tự do đang ngày càng giảm sút, những tế bào này hấp thụ ánh sáng mặt trời như một nguồn năng lượng. Các con số ước lượng được đưa ra không đồng nhất, nhưng vào khoảng 3 tỷ năm trước (khoảng 8:00 giờ sáng trên chiếc đồng hồ của chúng ta), một thứ tương tự như sự quang hợp hiện đại ngày nay có lẽ đã bắt đầu phát triển. Việc này khiến không chỉ sinh vật tự dưỡng mà cả sinh vật dị dưỡng lợi dụng được năng lượng mặt trời. Quang hợp sử dụng điôxít cacbon và nước vốn rất phong phú cùng với năng lượng từ ánh sáng mặt trời để sản xuất những phân tử hữu cơ giàu năng lượng (hydrat carbon). Ngoài ra, khí ôxy được sản xuất như một phế phẩm của quá trình quang hợp. Đầu tiên nó liên kết với đá vôi, sắt, và những chất khoáng khác; nhưng khi các khoáng chất đã được sử dụng hết, ôxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển. Dù mỗi tế bào chỉ sản xuất ra một lượng ôxy nhỏ, tổng các quá trình trao đổi chất của nhiều tế bào sau những khoảng thời gian dài dằng dặc đã biến khí quyển Trái Đất trở thành tình trạng như hiện nay. Và đây là thời kỳ khí quyển thứ ba của Trái Đất. Một số ôxy phản ứng để hình thành nên ôzôn, tạo thành một lớp nằm ở phần trên cùng của khí quyển. Tầng ozon đã hấp thụ, và vẫn đang hấp thụ, một lượng lớn bức xạ cực tím mà trước kia có thể xuyên qua khí quyển. Điều này cho phép các tế bào di chuyển lên bề mặt đại dương và cuối cùng là đất liền: Nếu không có tầng ôzôn, bức xạ cực tím sẽ đi tới bề mặt Trái Đất và gây ra tình trạng biến đổi lớn cho các tế bào. Bên cạnh việc tạo ra phần lớn lượng năng lượng cần thiết cho các hình thức sự sống và ngăn cản bức xạ tia cực tím, các tác động của quang hợp còn có một tác dụng thứ ba khác đưa tới sự thay đổi mang tầm quan trọng lớn trên thế giới. Ôxy là chất độc đối với nhiều dạng sống vào thời kỳ này; có lẽ đa phần sự sống trên Trái Đất đã biến mất khi lượng ôxy tăng lên (Thảm họa oxy). Sau thảm họa ôxy, các hình thái sự sống mới thích nghi được với bầu khí quyển ôxy đã tồn tại và phát triển, và một số đã phát triển khả năng sử dụng ôxy để tăng cường sự trao đổi chất và hấp thu được nhiều năng lượng hơn từ cùng loại thực phẩm.