“為什麼現代不同類型動物的特征，集中在古代同一種動物身上呢？”難道，現在不同的動物是從古代某種動物演變來的？可是，《聖經》上談的卻是萬物不變，他不能不懷疑上帝創造萬物的說法了。
1835年9月，“貝格爾”號來到了加拉帕格斯群島。這個群島共有大小10個相鄰很近的島嶼，島上小鳥甚多，一下子把達爾文吸引住了。他觀察了島上所有的26種小鳥，發現都與大陸上
的鳥類相仿，但由於島嶼的不同而各有差異。他仔細觀察確認，這26種小鳥，有25種是變種，這些島上原來沒有鳥類，後來，有人從外地帶來了一種，在各島上不斷繁殖變異，形成了現在的各個種類。
群島上的植物沒有美麗的花朵，所有的昆蟲也都和植物一樣，呈現著沙漠生物的色彩。達爾文認為，這是由於這樣的生存條件適宜這種樣子。
幾年的爬山涉水考察，達爾文耳聞目睹了生物界大量變異的事實，他終於拋棄了《聖經》上關於物種不變的論調，提出了“物種是逐漸變化的”觀點。
1835年底，“貝格爾”號駛離了加拉帕格斯群島，穿過太平洋，經過澳洲南沿，越過印度洋，繞過好望角，勝利返航了。
1836年10月2日，達爾文激動地跳下了帶給他豐碩成果和嶄新思想的“貝格爾”號軍艦，登上了闊別五年的祖國大地。
“物種是可變的！”這是達爾文經過航海實踐得出的結論，也是他艱苦卓絕的勞動結晶。
達爾文雖然在航行期間形成了物種可變的科學見解，但物種為什麼會變化，各種生物之間有什麼聯係，還沒有形成清晰的認識。
於是達爾文在醉心研究五年中搜集到的化石、標本，整理“旅行日記”的同時，他訪問老農、育種家、園藝家，傾聽他們介紹人工選育良種的經驗，並親自參加實踐，養了許多鴿子，研究家鴿品種起源問題。
達爾文注意到，家鴿的品種不同，外形差異很大，但內髒和骨骼的構造基本上相同。他進一步調查和研究了家鴿的飼養史。原來，不同種類的家鴿的祖先都是岩鴿。岩鴿由野生轉為家養後因生活環境的改變，經過長期的人工選育，才形成了各種各樣的鴿子。
他又對不同品種的金魚的形成進行了研究：在中國的宋朝，有人把一種帶朱紅色鱗的鯽魚放在缸裏飼養，由於環境的改變，魚就漸漸表現出形態上的差異，人們把形態不同的魚分缸飼養，結果變化越來越大，經過近千年人類的不斷選擇，終於培養出現在多個品種的金魚。
通過走訪、觀察，達爾文形成了對人工選擇作用的認識：具有各種不同特征的動植物品種，可以起源於共同的祖先，它們在人為的幹預下，積累和發展了對人有利的變異，逐漸形成了人們所需要的新品種。
那麼，生存在自然條件下的更大量的物種有沒有類似人工選擇的過程呢？
達爾文想到了北大西洋馬德拉島上的昆蟲。它們當中大部分翅膀退化，不能飛；而少數能飛的昆蟲翅膀特別發達。為什麼會這樣呢？經過分析，達爾文明白了：馬德拉島上經常刮大風，會飛的昆蟲，大部分被大風刮到海裏淹死了。隻有少數翅膀特別發達和爬在地上不善於飛行的昆蟲僥幸存活下來。經過許多年，一般會飛的昆蟲滅絕了。於是，島上隻有翅膀特別發達和不會飛的昆蟲了。
他研究了大量類似的例子，得出了結論：在自然界，的確存在著類似人工選擇的過程，隻不過起選擇作用的不再是人，而是大自然，也就是說：一種生物產生的後代，能適應環境的就生存下來，不適應環境的就被淘汰。這就是“自然選擇”。他認為，現代生存的各種各樣的生物都是由少數原始生物，經過漫長的時間變異、遺傳和自然選擇的過程，從簡單到複雜，從低級到高級，逐漸進化來的，絕不是上帝創造的。他把這個思想告訴了他的朋友賴爾和虎克以及他們的哥哥，並說“我要寫一本《物種起源》”。