但“貝格爾”號帶給達爾文的並不是長途旅行的浪漫感受，而是心髒病和暈船帶給他的痛苦折磨。
在“貝格爾”號駛往美洲的航程中，通過熱帶時，達爾文從連日來的暈船之苦中恢複過來，開始大量收集標本。他用一個很大的網來捕撈海中的浮遊生物。這些浮遊生物有些色彩斑斕，有些奇形怪狀，有些則齷齪不堪，但這些收集物都成了達爾文的寶貝，他用心對它們進行觀察和研究。
1832年1月，“貝格爾”號在佛得角群島中最大的島--普拉亞停泊了3個星期。在這個島上，達爾文測量波巴布樹的粗細，采摘香蕉樹和咖啡樹的花朵。每天還花大量的時間沿著海岸搜尋鳥類、昆蟲和海生動物，觀察這些動物的特征和習性，並盡可能多地製作標本。
後來，在“貝格爾”號靠近大西洋中一個荒無人煙的聖保羅島時，達爾文又對這個小島進行了登陸考察。一上島，達爾文就被岩礁上那些年深日久的鳥糞浮渣吸引住了。他斷定，很久以前，這個島上的第一批“移民”是一些寄生蟲、鳥類和以鳥羽中的微生物為食的壁虱。活躍在這個島上的還有一種叫雄性管鼻鸌的鳥的一個有趣的現象，它們總是為配偶銜來小魚放在巢旁。當達爾文將雌鳥從巢中嚇跑後，立即就出現幾隻大蟹將小魚偷走，大蟹有時還大膽地擄走小鳥，使管鼻鸌陷入失子的悲痛中。敏感的達爾文被這個有趣的現象觸動了，原來生物間存在著如此奇特的生存鬥爭。
在航行途中的1832年11月，達爾文收到了亨斯羅教授寄來的查爾斯·賴爾的著作《地質學原理》第二卷。這本書使達爾文觸及了自然界中物種起源問題及是否存在變種的問題。但是，達爾文反對賴爾關於物種的起源和有關變種的觀點。
帶著眾多的疑問，從環球旅行的第二年起，達爾文開始了他全新的考察。從這一時期開始，達爾文已經可以稱得上是一名真正的博物學家。他對於自然科學的態度，從愛好升華到了理性的思考。
1833年2月26日，“貝格爾”號頂著大風向福克蘭群島駛去。福克蘭群島上沒有樹，島上的硬草將它的泥炭土壤覆蓋得嚴嚴實實。達爾文走遍了全島，捕捉了一些動物，並重點對海岸上巨大的無毛海生蛞蝓（軟體動物的一種）屬動物和白色海牛（一種軟體動物，並非指海中的哺乳動物）屬動物的卵進行了考察。達爾文發現，這兩種動物一次就能產下約60萬粒卵,但是海岸上長大了的無毛海生蛞蝓和白色海牛動物卻很稀少。達爾文對此進行了深刻的思考，他認為，一定是這些軟體動物及它們的卵極易成為海魚的美食，因此，它們就通過大量繁殖的方式來延續後代。這種現象，不正說明動物具有適應環境的能力嗎？
在離布蘭卡港不遠的彭塔阿爾塔（“貝格爾”號去布宜諾斯艾利斯的途中），達爾文注意到各種動物有著各種自我保護的能力。比如這裏的一種蜥蜴，它身上長著各種顏色的斑點，這種保護色使它在沙灘上不易被發現；冬眠也是動物對於寒冷環境的一種獨特的適應方法。
在達爾文環球旅行的途中，像這樣的事實還非常多，它們使達爾文更加充分地認識到了生物的適應性。
在彭塔阿爾塔，達爾文最大的收獲是發現了化石。他在這裏挖掘出了大量的貧齒類哺乳動物化石：大懶獸、磨齒獸、巨樹懶等，它們同大象和犀牛一樣大。達爾文注意到，正是在這個大型動物滅絕的地方，生活著小的樹懶科動物，它們的體型要比那些曾經存在過的樹懶科動物小得多。
那麼，為什麼那些大型動物會滅絕呢？現在的小樹懶科動物又是如何變化來的？
大自然在這裏又將變種的問題向達爾文提了出來。到底是怎樣的一種神秘力量造成了物種的變化呢？在達爾文的頭腦中，漸漸形成了生物進化的模糊意識。
物種並非上帝創造
1835年2月8日，“貝格爾”號繞過合恩角，沿著南美洲，到達智利的一個靠近海岸的城市--瓦爾迪維亞。
2月20日，智利發生了強烈地震。3月4日，達爾文到達智利的康塞普西翁港時發現，地震造成的破壞在這個港口表現得尤為劇烈。康塞普西翁市的房屋全部倒塌，地震掀起的巨浪將岩石拍擊到海岸上，形成無數碎片，這些岩石上附著的海生生物也都因離開了海水而死去。
菲茨羅伊船長告訴達爾文，在離康塞普西翁港幾英裏（1英裏=1.6093千米）外的地方，有一片礁石已超出海麵（它們原來則淹沒在海水中），上麵附著貝類軟體動物。很明顯，在這片礁石上將形成新的化石層。
對地質學很有研究的達爾文明白，自然界曾發生過諸如地震這樣的顯著變化，如地震導致地形的變化--山體降低或升高，或者陸地下降、海洋出現……也發生不易覺察的緩慢變化，如氣候對環境的影響等等。達爾文想到，地球運動會產生地質變化，那麼自然界對物種的變化是否同樣具有作用呢？這的確是一個大膽的具有革命性的想法。因為那個年代在人們的意識中，是上帝創造了一切，上帝是一切力量的源泉。
達爾文相信自己的推測是有依據的。他想起了過去地質考察時的發現：在一定的地質年代，埋藏著相應的動物化石，而越靠近地殼表麵，化石越與現代的物種相像。這正說明，物種變化與自然界變化有很大的關係。
1835年10月，“貝格爾”號已經在漫長的航行中度過了4年光陰。15日，駛抵加拉帕戈斯群島。
加拉帕戈斯群島位於赤道之下，厄瓜多爾西部，從北向南延伸了300千米。它由阿爾貝馬爾島、查爾斯島等15個大島、42個小島及26個岩礁組成，總麵積為7800平方千米。它遠離大陸，與最近的大陸間的距離超過了800千米。
加拉帕戈斯群島附近海域中有著獨特的物種。這裏的海水中生活著活躍的海獅，它們以海洋中豐富的槍烏賊為食。這個赤道上的群島，還有企鵝生活在這裏。
10月16日這天，達爾文登上了加拉帕戈斯群島中的最大的島嶼--阿爾貝馬爾島。首先迎接達爾文的是島上的大蜥蜴，它們有幾米長。這些大蜥蜴有兩種：海蜥蜴和陸鬣蜥。灰黑色的海蜥蜴以海中的藻類為食，腳上長著能遊水的蹼，蹼的邊緣還被它們自身的尾巴壓成扁平狀。憑著蹼，它們能遊到離岸邊幾百米遠的地方，棲息在沿岸的懸崖峭壁上。模樣非常醜陋的棕褐色陸鬣蜥以昆蟲和各種植物為食，它們活躍於丘崗上，跑來跑去，對達爾文的到來視而不見。它們的尾巴是圓的，腳趾之間沒有蹼。
加拉帕戈斯群島上的大烏龜也非常有趣。各個島上的烏龜的大小、龜背斑紋都不相同，島嶼上的居民能輕易地辨認出它們棲居在哪座島嶼。
達爾文還發現，加拉帕戈斯群島與美洲大陸相隔560海裏的廣闊海域，兩個地域中的動物有著種屬關係。他不久就發現：由於地質學方麵的原因，比如海底暗流、風等因素，美洲大陸的有些生物移居到了加拉帕戈斯群島，並在那裏得到了發展。
達爾文發現加拉帕戈斯群島上各個島嶼的土壤性質和氣候相同，但各個島嶼的動物群和植物群卻不相同，很明顯，這些物種在這裏產生了變化。但當時自然科學家們公認的觀點是上帝在不同的環境中創造了不同的生物，一定的環境中生活著一定的物種，而且物種一經創造就永久不變。這一觀點顯然與達爾文發現的事實相矛盾，難道是上帝疏忽了？
在加拉帕戈斯群島上，達爾文第一次提出了關於生物起源和進化的明確見解：物種並不是上帝創造的，物種也是可變的，是不斷進化的。
《物種起源》的創作
19世紀，歐洲各國紛紛對外實施殖民統治，殘酷地殺戮、販賣奴隸並劫掠他們的土地和財富。在整個的環球航行之中，達爾文深切同情各地土著人悲慘的命運。他痛恨奴隸製度，希望有一天能徹底消除它，為此他甚至和菲茨羅伊艦長有過激烈的爭吵。
1836年10月2日，“貝格爾”號圓滿結束了5年的航行，歸航於英國法爾茅斯港。達爾文最大的收獲是寫出《航海日記》和沿途收集到許多標本。
10月4日，達爾文終於回到了他久別的舒茲伯利，長達5年的艱辛航行，使他的健康受到很大的損害。
那時在學術界，達爾文已經是一個嶄露頭角的青年科學家了，他還被選為地質學會和動物學會會員。
1839年1月29日，達爾文與表姐--埃瑪·韋季武德結婚了。婚後，埃瑪全力支持達爾文的事業，照料達爾文的生活，使達爾文沉浸於幸福之中。他們在倫敦生活了4年,後來在郊區的唐恩村買下了一座小莊園--唐恩花園。
唐恩村位於肯特郡附近，到處散發著恬靜幽雅的田園氣息。在唐恩花園，達爾文過著一種很有規律的隱逸生活，他隻是在外出治療或拜訪親戚、參加學術會議時才離開家。
達爾文在唐恩花園度過了他生命中的40年。在這40年中，達爾文完成了《物種起源》和《人類的起源》等許多偉大的著作。
在40年的科學研究中，達爾文始終按照培根的原則工作。作為他理論依據的是大量的事實，這些事實來源於5年環球考察的所見所聞，以及大量的標本。
1838年，達爾文偶爾讀到了馬爾薩斯的《人口論》，這使他受到了莫大的啟發。達爾文將馬爾薩斯關於人類社會存在“生存鬥爭”的理論推及自然界，得出自然界也存在生存鬥爭的理論。他認為，在生存鬥爭中取得勝利的個體能產生較多的後代，而那些失敗個體將被淘汰。生存鬥爭是推動生物進化的重要因素。
6年後的1842年，達爾文又根據家養畜禽人工選擇的事實，悟出了自然選擇的觀點。原來,就像人工選擇一樣，大自然本身也在進行著選擇。那些有利於生存的變異被保留下來，不利於生存的特點則被淘汰，自然選擇是生物進化的主要途徑。
至此，達爾文將生物進化的全部秘密揭示出來了，在自然選擇的條件下，生物進行著生存鬥爭，適者生存，不適者淘汰。