艱巨的起始
從1854年9月開始，達爾文把全部時間都用來整理大量有關物種變異問題的筆記，同時進行了與此有關的觀察和試驗。他在“貝格爾”號上的航行期間，看到了一些深受感觸的事實：第一，在潘帕斯的地層中，發現了龐大的動物化石，它們具有背甲，同現在生存的犰狳的背甲相似；第二，動物的親緣關係相近的種，隨著南美洲大陸自北向南逐漸發生一定的交替變化；第三，加拉帕戈斯群島的大多數生物都具有南美生物的性狀；更加特別的事實是：這個群島中的各個島嶼上的同種生物，其性狀卻也彼此略有差異；從地質觀看來，任何一個島嶼都並不是古老的。
毫無疑義，觀點隻有依據一種推測，就是物種在逐漸地發生變異，才可以去解釋這一類事實以及其他很多事實；因此這個問題一直縈繞在他的腦際。可是，他同樣清楚，不論是周圍環境的作用，或者是生物的意誌，特別是在植物的情形方麵，都不能夠解釋各類生物極其良好的適應於自己的生活習慣這無數的事例。例如：啄木鳥和雨蛙對於爬樹的適應，或者一粒種以它的刺鉤或簇毛來用於傳播的適用。這些行之有效的情形，時常使達爾文感到驚奇不止。他以為，在它們還得不到解釋以前，要采用間接的證據去證實物種曾經變異這個觀點幾乎是不可行的。
達爾文絲毫不根據任何已有的理論，去極其廣泛地搜羅證據，其中特別多的是家養植物的事實。他采取的辦法是：印發問題調查表；同經驗豐富的動物育種家和園藝工作者進行交談；還閱讀大量有關的書刊。他曾經查看各種書刊目錄，其中有各會出版的大批成套的期刊和論文。達爾文就是通過這種勤奮精神使自己理解到，人工選擇就是人類創造動物和植物的有用族類的基本原理。可是，怎樣才可以把選擇應用到那些自然狀況下生活的生物方麵，這在相當長的時間內對他來說，依舊是一個謎。
達爾文把馬爾薩斯的《人口論》中的論據用在動植物的身上，認為在物種的食物供應保留不變時，有機物便有以幾何級數增加的傾向。他拿一次產數百個卵的蒼蠅、一次產數千個種子的樹和一對大象的例子來證實他的想法。他估計，一對大象，要不加以製止，過五百年，就會為世界提供一千五百萬後代。除了人類，動物似乎不會使群體在世界上過剩。蒼蠅的卵被吃掉了，或者是遭到其他方式的破壞；大多數種子不能發芽；甚至大象的後代也免不了災害的侵襲。選擇在於環境、氣候、土壤、食物供應和捕食者。引人注目的鬆雞便受到了猛禽的選擇，深紅色的李子比黃色的李子易於遭受植物病害。在選擇過程中既無計劃，又無最終目的。如果說選擇作用的話，那麼，就必定不僅有過剩的東西可供選擇，而且有變種。於是在達爾文的頭腦中出現一個想法，就是在這些自然環境條件下，有利的變異應該有被保存的趨勢，而無利的變異則應該有被消滅的趨勢。這樣的結果，應該會引起新種的形成。因此，最後，達爾文終於獲得了一個用來指導工作的理論。可是，他為了竭力避免先入為主的成見，決定在相當一段時間內不把它寫出來，甚至連最簡略的摘要也不寫。
從1842年6月起，達爾文才用鉛筆把自己的理論草寫成三十五頁很簡略的概要。1844年夏季，他又把這篇概要增充為二百三十頁，而且仔細謄清，妥善保存起來。
不過，達爾文卻忽略了一個意義極其重大的問題，這個問題就是同一根源產生的生物，其性狀隨著它們發生變異而有分歧的趨勢。顯然可見，因為人們能夠把所有的一切物種分類歸入於屬內，把屬歸入於科內，把科歸入於亞目內，等等。而且根據這個分類原則，就可以得出結論：它們的性狀有顯著的分歧。當他在頭腦中得出這個問題的解答時，他真是高興極了。那時他正坐在馬車上趕路。直到很多年後，他還清楚地記得這條路上的地點。這個問題的解答就是：一切占優勢的、數量在增加著的類型的變異的後代，都有一種能夠在自然經濟狀態下去適應很多條件極不相同的地區的趨勢。達爾文為了讓自己的理論更準確、更具有說服力，他還向與自己有通訊聯係的人提出許多問題來探討，如與賴爾、胡克等人的商議，從1855年起，他開始同美國植物學家愛沙·