1827年秋天，達爾文回到家裏。年逾花甲的父親就要退休了。看到小兒子不想學醫，卻熱衷於打獵和采集標本，原來打算讓他繼承自己事業的計劃不能實現了，不由得惱怒萬分，他決定送達爾文去劍橋大學學習神學。達爾文對父親的這個決定感到非常突然，他小心翼翼地提出了反對意見，但遭到拒絕。達爾文找到舅舅喬賽亞幫助拿主意。舅舅耐心地開導他：“學好神學，當上了牧師，你對生物學的愛好還是可以堅持下去的。比如哥白尼、布魯諾、康帕內拉、牛頓，還有劍橋大學教授塞奇威克都學習過、研究過神學，有的還擔任過聖職。不過我希望你像哥白尼、布魯諾和康帕內拉那樣，從神學走向科學；而不是像牛頓那樣，從科學走向神學。”達爾文聽說哥白尼、布魯諾等偉人都學過神學，而且從神學走向了科學，心想自己也可以走這條路。
1828年1月，達爾文正式進入劍橋大學基督學院學習。達爾文雖然從小熱愛文學和科學，對神學沒有什麼興趣，但他畢竟還是個閱曆不深、知識不多的青年，加上無孔不入的神學勢力的影響，一度又產生了做個鄉村牧師的想法。他認真地閱讀了約翰·皮爾遜的《論教義》，佩利的《基督教教義證驗論》《自然神學》等神學著作。由於學習努力，在神學考試中竟然成績優良，名列前茅。這個經曆，不僅給它以後的科學生涯蒙上了陰影，也是他不能成為徹底的唯物論和無神論者的重要原因。
天長日久，神學院的那種單調枯燥的學習內容，以及一日三次、天天重複的禱告儀式使他越來越厭煩。於是，他把大部分時間用在閱讀自然科學書籍以及到野外采集標本的活動上，對神學的興趣又日趨淡薄了。
達爾文在劍橋大學基督學院的幾年裏，學習神學浪費了他許多寶貴時間，然而，在此期間也發生了對他“整個一生影響最大的一件事”，這就是結識了亨斯洛教授。
亨斯洛是劍橋大學著名的礦物學和植物學教授。達爾文自從結識了亨斯洛教授，他對科學的熱情便再次迸發出來。他經常參加亨斯洛教授家裏的每周聚會，通過聚會，又結識了許多學者、專家和知名人士。不久，達爾文選修了亨斯洛教授的植物學課，亨斯洛教授經常帶著學生去近郊采集標本，每學期還要長途步行到某種稀有植物的產地去采集標本，他把整個大自然當作課堂，把旅途中接觸到的每一種新奇的動植物和每一塊有特點的地層都當成教材，生動地向學生傳授知識。事實表明：正是亨斯洛這樣的“伯樂”，發現和培養了有誌向、有才華的達爾文，使他成為偉大的科學家。
1831年夏天，達爾文經亨斯洛教授介紹，跟隨塞奇威克教授去北威爾士，考察那裏的古岩層。這次旅行使他學會了發掘和鑒定化石，掌握了如何理解一個地方的地質的科學方法。
《物種起源》誕生
達爾文從大學畢業後，正值英國走向“全盛時代”的前夜。當他結束對北威爾士的地質考察，回到希魯茲伯裏的家中時，他收到了亨斯洛教授的一封信。信上說，英國政府要派一艘“貝格爾號”軍艦進行環球航行，艦長需要一位自然科學家同行。亨斯洛教授推薦他參加這次航行。父親對此表示強烈反對。達爾文隻好去求助父親所敬重的舅舅喬賽亞為他說情。在喬賽亞的勸說下，父親終於同意了他的請求。
經過幾個月的準備工作，1831年12月27日“貝格爾號”艦氣勢巍然地駛出德文港，向南美洲進發，開始了長久而艱難的環球航行。
這是一次不尋常的具有曆史意義的航行。達爾文此次航行考察的計劃是研究地質學和無脊椎動物學。海上航行和陸上考察都是極其艱苦的。航行中，狂風的呼嘯聲，海濤的咆哮聲，軍官和水手們聲嘶力竭地喊叫聲，經常把他這個第一次參加遠航的人嚇得魂不附體。他遇到的最大威脅就是暈船的痛苦，這常常迫使達爾文不得不暫時中斷自己的工作。暈船將達爾文折磨得筋疲力盡，有時稍為動一下，就像要昏死過去那樣。正如他在給父親的第一封信裏所說的：“一陣陣的幹嘔太痛苦了，那滋味使我感到不是腸子就是胃撕裂了。”然而追求科學的美好理想始終在激勵著他，使他充滿堅強的信心，去戰勝各種困難。