還是在布特勒博士學校時，他就常常去捕捉昆蟲，尋找礦石，拾揀貝殼，采集動植物標本……並聽人講解晴雨表上遊標的原理，跟一位校外老師學習幾何學知識。在布特勒博士學校學習的最後一年，他的哥哥置辦了一套化學儀器，在花園的工具房裏，布置了一間實驗室，努力進行化學上的研究。達爾文盡管一天的學習和活動已經十分勞累了，可他仍然跑步回家，趕著去當哥哥化學實驗室的助手。達爾文一邊幫助哥哥做實驗。一邊看書。後來，就學著動手獨自操作，很快就掌握了製作幾種化合物的方法。他把和哥哥一起進行化學實驗看成是“受到的最好教學”。
在醫學院學習期間，達爾文曾結識了一些愛好自然科學尤其是生物學的青年朋友，其中一個是比他高幾年級的葛蘭特。在一次散步時，葛蘭特熱情地給達爾文介紹了拉馬克的進化觀點。雖然達爾文曾讀過祖父寫的《動物生理學》一書，但對拉馬克的進化觀點還是表示了極大的驚訝。葛蘭特是研究水生動物的，達爾文經常跟著他到潮水漲落的沙灘上捕捉動物，並盡最大努力進行解剖。在這期間，他們還和漁民一道撒網捕魚，捕撈牡蛤，並且製成各種標本，帶回來分析研究。
有一次，達爾文利用簡陋的顯微鏡，進行了兩小時的觀察分析之後，發現了一種名叫板枝蚧的動物，所產生的具有鞭毛並能運動的幼蟲，而過去卻被研究家們錯誤地認為是板枝蚧的卵。還有一次，他又通過顯微鏡觀察到類似蠕蟲的海蛭的卵衣，而過去曾被人們認為是墨角藻幼齡階段的球狀體。他把這兩項發現寫成論文，在當時愛丁堡大學學生自己成立的、以古羅馬博物學家普林尼命名的學會上進行了宣讀，獲得了大家的好評，這使年輕的達爾文受到了極大的鼓舞。
達爾文還非常虛心好學。當他聽說一位黑人擅長剝製鳥類標本，就立即前往拜訪和請教。他從黑人老師那裏學會了製作標本的技術，彼此還建立了深厚的感情。
學校放假之後，達爾文就和朋友或姐姐一起，進行遠足旅行、打獵。有時與獵場的看守人一起，整天跋涉在叢林蔓草之中；有時還登上積雪的高山，常常累得喘不過氣來，可心情卻格外舒暢，他和朋友們捕獲和采製了很多不常見的鳥雀和植物標本，學會了觀察和搜集動植物的方法。
在劍橋，達爾文仍然以大量的時間進行郊遊，閱讀各種自然地理著作和搜集昆蟲、植物等活動。
長期的實踐活動，使年輕的達爾文更加精明能幹，他發明了兩種新的采集方法。一種方法是在冬季刮下老樹上的附著物；另一種方法是采集船底下的附積物。這樣，他便得到了一些別人得不到的罕見物種，並收在斯蒂芬編的《不列顛的昆蟲圖解》中。
有一次，達爾文發現一棵老樹上有一片壞死的皮，憑多年經驗，他馬上感到今天要有收獲了。他小心翼翼地剝下老樹皮，一眼看到了兩隻罕見的甲蟲。達爾文興奮極了，他極為熟練地一手捉了一隻，心裏樂開了花。他剛想仔細看看這兩個可愛的小家夥時，又發現了第三隻更為罕見的甲蟲。怎麼辦？雖然寒風刺骨，達爾文卻急出了汗。絕不能讓它逃走，達爾文顧不得多想，把左手上的那隻放在嘴裏，正想騰出手捉第三隻，他感到嘴裏的小家夥一動，噴出一種液體。頓時感到嘴裏又麻又痛又燙。他趕快把它吐了出來，那隻狡猾的小家夥便歡蹦亂跳地逃跑了。等再想抓第三隻時，卻懊喪地發現它也不知道什麼時候溜走了了。這個小故事卻生動地反映了達爾文珍惜每一次科學實踐的機會，熱衷於生物學研究的心態。達爾文在閱讀了大量自然科學書籍後，受到很大鼓舞，尤其是波堡德的《南美旅行記》和赫夏爾的《自然哲學的初步研究》，更激勵了青年達爾文的雄心，使他強烈地希望自己也能為自然科學的大廈增添一磚一瓦。
在劍橋大學三年的大學生活中，他結識了許多地質學家、動物學家和植物學家。其中對達爾文影響最大的是漢斯羅教授。
漢斯羅是老一輩的自然科學家，在植物學、昆蟲學、化學、礦物學、地質學方麵有著豐富的知識。達爾文經常去聽漢斯羅講課，並被他生動的講演所傾倒，漢斯羅見達爾文對自然科學興趣濃厚，經常熱情地關心、幫助他，1830年初，在漢斯羅的鼓勵下，達爾文開始了對地質學的研究、考察了幾個地方。同年8月在漢斯羅的介紹下，達爾文與地質學家漢威克教授一起，去北威爾進行古岩層的地質考查。這一次爬山越嶺的地質考察，使達爾文得到了很大收獲。知道了怎樣調查研究一處的地質，還學會了檢驗岩石層，采集化石等本領，為以後的環球旅行奠定了良好的基礎。
達爾文熱心於生物學的研究，但是由於神學思想的長期熏陶，“神創論”留下了很深的烙印，對拉馬克的進化觀點還不能正確理解，究竟誰是誰非？達爾文有著對生物學的極大興趣，帶著“神創論”與“進化論”的矛盾結束了大學生活，走出了劍橋大學的校門。
《物種起源》
1831年12月2日，22歲的達爾文在漢斯羅教授的推薦下以博物學者的身份登上了“貝格爾”艦，開始了五年的航行考察生活。