首先他在船尾布置了一張網，捕獲各種各樣的水生動物，然後將它們逐一鑒定，解剖登記入冊。
正當達爾文愉快地忙碌的時候，突然天空陰暗起來，海麵上風浪狂起，船隻劇烈地顛簸著，他頓時感到天旋地轉，無法站立，一個勁地嘔吐起來。水手們見到這種情形，不禁擔心地說：“這可怎麼辦？還剛剛開始呢，今後的遠航……”達爾文堅定地回答：“不要緊，我一定會戰勝它！”話音剛落，“哇——”又吐了起來。大家趕緊把他扶到艙裏的吊床上休息，達爾文對水手們說：“謝謝你們了，請放心，如果這次航行半途而廢的話，那麼，我將來在墳墓中也絕不會安息的。”追求科學真理的理想激勵著達爾文，他充滿了戰勝困難的堅強信念。暈船的痛苦算得了什麼！水手們一走，他又開始工作了。
達爾文實踐了自己的諾言，堅持不懈地工作著。他把每天所觀察到的各種現象都準確、詳細地寫進了航海日記和考察筆記。並且一遇到機會，就把它們寄回英國。這個工作持續了將近5年，直到航程結束。即使旅途中發燒不退，病了兩個多月，日記也從未間斷過。
在達爾文的航海日記中，記載著極其豐富生動的考察事實。
1832年2月16日，“貝格爾”號到了佛得角群島，達爾文入叢林，攀懸崖，涉草地，搜集各種珍貴的動植物標本，挖掘古生物化石，“沒有偷閑過半個小時。”群島上鋪滿大地的奇花異草，千種彩蝶，萬類昆蟲，常常讓達爾文樂而忘返；千差萬別的珍禽奇獸，古怪的化石獸跡，又常常使達爾文處在“非常驚奇”之中。是什麼力量把大自然裝飾得這樣錦繡多嬌？是什麼緣故使得很多動植物種類，古代的和今天的，雖近似但又不同呢？難道真像神學院的老師在講述《聖經》的時候所說的，形形色色的生物都是上帝創造出來的嗎？他還記得自己不久前給船上水手們複述這些說教時，水手們捧腹大笑的情景。是啊，見聞廣博的水手為什麼覺得可笑呢？達爾文決心找到答案。
在航行考察中，達爾文除了采集標本、化石外，還很重視向當地勞動群眾學習求教。
有一次，一位高僑人對他說：“我們這裏的雌鴕鳥總是成群地把蛋下在同一個巢裏，等到有20到40個蛋的時候就讓雄鳥孵化，而雌鳥又集體到另一個巢下蛋去了。”
達爾文聽了將信將疑，便親自做了實地調查。原來雌鴕鳥每隔三天才下一個蛋，假如一隻雌鳥把每次排卵期的十幾個蛋全部下完再自己孵化，那麼，先下的蛋在高溫環境裏早就變壞了。此地鴕鳥的這個習性正是對當地炎熱氣候的一種適應表現。
達爾文還從居住在不同地域的居民口中知道了很多的事例，使他感到動物和自然界之間存在著一種密切的關係。
1833年8月，達爾文在朋塔阿耳塔進行化石的挖掘工作。有一天，人們挖到了一種劍齒獸的化石，它的身體像大象，牙齒卻小得像老鼠，眼睛、耳朵和鼻孔又像水中的海牛。達爾文看到這個“怪化石”感到十分驚奇。
“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。