1842年，達爾文開始係統地研究物種問題。兩年後，他寫出了230頁的物種理論的概要。他收集、查證了大量的事實和資料，旁征博引，《物種起源》的寫作思路終於在達爾文腦海中形成了。
1856年初，達爾文開始著手寫他的巨著《物種起源》。在《物種起源》的寫作初期，達爾文的朋友、地質學家賴爾建議達爾文盡可能完整地闡述自己的進化論觀點，然後將他的觀點連同《物種理論概要》先行發表，以便取得理論上的優先權。但是達爾文認為，僅僅發表物種起源的一個理論概要，而忽略事實的證明，在他看來是不可思議的，這顯然違背了自己一向恪守的工作原則。1858年，達爾文已經寫完了《物種起源》大約一半的內容。
這年6月，達爾文收到了青年生物學家華萊士的一篇論文和一封信。華萊士在文章中所闡述的關於生存鬥爭和適者生存的原則令達爾文非常驚訝，他隨即陷入了被震懾後的茫然之中。經過慎重的思考之後，達爾文終於決定，將物種起源理論的優先權讓給華萊士。但達爾文的兩位朋友賴爾與植物學家約達·虎克卻將達爾文的信和有關資料提交林奈學會，申請裁定物種起源理論的優先權。
1858年7月1日，林奈學會確定達爾文擁有物種起源理論的優先權。因為達爾文關於物種起源的研究比華萊士早了十幾年，而且深刻得多。
眾矢之的
1859年11月24日，生物學史上劃時代的巨著《依據自然選擇的物種起源》終於問世(簡稱《物種起源》)。這本鴻篇巨製包含了14章的內容，援引了大量的證據說明在自然選擇作用下的物種進化規律。這本書理論的精髓正是自然選擇，生存鬥爭，適者生存。它首先從觀察“庭院變化”開始，講明了家養條件下鴿子、馬、花園裏的花等的變異，提出了“選擇”的作用。隨後它又將這種“選擇”推及自然界，通過大量事實，說明“自然選擇”對於生物進化的重要作用。
在《物種起源》中，達爾文用大量篇幅說明生存鬥爭和自然選擇的理論，並從地質學的角度講述了化石和物種的地理分布，為自己的理論提供有力的證據。書中還涉及物種分類原則、胚胎的類似性等諸多方麵的問題，還以少量篇幅談及了人類的起源。
在這本厚達600頁巨著的附言中，達爾文寫下了幾句極具預見性的關鍵語句--動物是至多隻有四五個祖先的後裔，而植物的祖先也僅有相同或許更少的數目……所有的動植物也許都是從單一的原始種類遺傳下來的。在當時這隻是達爾文嚐試性的結論，但100年後，這些結論卻得到了準確的驗證。
《物種起源》的出版有著劃時代的意義，關於生物起源的神創論受到毀滅性的衝擊，生物界所遵循的發展規律第一次得到了客觀的反映，也正是從這一天起，人們對於生物界的觀點開始轉變。
但是，達爾文卻成了眾矢之的：一部分來自那些篤信宗教的人，他們信奉《聖經》中的萬物是由上帝創造的，而且物種是不變的，這使他們驚恐萬分。達爾文一時成了漫畫家諷刺的焦點。
另一部分來自自然科學界內部的批評，尤其是對達爾文提出關於融合遺傳理論與地球的年齡問題的批評。
在《物種起源》問世初期，融合遺傳規律是被公認為正確的遺傳理論。它認為，變種與正常物種進行交配的過程中，各種性狀變異將融合成一種中間狀態。進化論顯然不符合融合遺傳理論，達爾文認為生物由自然選擇而產生的適於生存的特征將一代代傳下去，並不會融合成中間狀態。
正當達爾文為解決這一難題而大費神思的時候，他的問題已經被奧地利一位修道士--孟德爾解決了。
孟德爾對豌豆進行了多年研究，他最終發現了生物的遺傳規律--生物內部存在穩定的遺傳因子，它控製著物種的性狀，這些性狀隨著一代代繁衍而延續下去。在雜交的情況下，來自父方和母方的遺傳因子使後代表現出父方或母方的特性，而這些特性是不能融合的。
孟德爾的研究成果能很好地解釋達爾文的進化理論，隻是孟德爾及其遺傳研究不為當時的學術界所重視，他的理論未能及時得以傳播。
對達爾文進化論的另一個致命衝擊是關於地球的年齡問題。達爾文的進化論認為地球的年齡應不少於3億年。而當時著名的熱力學研究者開爾文勳爵運用地球冷卻理論推算出的地球年齡隻有1000萬年。這個時間對於進化過程來說，實在是太短暫了。無疑，從這一點上看，達爾文的學說是立不住腳的。事實上，開爾文勳爵忽略了地球內部的熱量，因而他算出的地球年齡值是太小了。
若幹年後，《物種起源》所受的致命打擊從反麵說明了它的正確性，由此也證明了達爾文的進化思想是無比先進與革命的。
由《物種起源》引起的強勁風暴幾乎使當時每一個英國人都席卷到《物種起源》的爭論之中。在神權統治一切的年代，每一個科學規律的發現和確立都經曆著異常艱辛的過程。
達爾文的朋友和擁護者與反對者經曆了無數次學術激戰。在他們中間，站在激戰最前沿的是英國植物學家托馬斯·赫胥黎，他多次在學術界召開的辯論會上侃侃而談，陳述《物種起源》的先進思想，駁斥那些對《物種起源》的攻擊和曲解。與赫胥黎正相反，英國牛津大主教威爾伯福斯是《物種起源》的堅決反對者。
關於《物種起源》的另一種爭論是達爾文與拉馬克進化論的爭議。當時，許多研究自然科學的學者並不讚成上帝創世說，但他們對達爾文的進化論也不以為然。在他們心目中，拉馬克的進化學說仍被認為是最為先進合理的。
但是，隨著時間的推移和進化論傳播者們的努力，《物種起源》最終說服了人們。在《物種起源》發表10年後，絕大部分生物學家認同了達爾文的學說，達爾文及其理論最終在學術界占據了舉足輕重的地位。
圍繞生物進化論的學術爭論是很有意義的。在爭論的過程中，達爾文不斷完善著他的學說。隨著《物種起源》的再三出版，達爾文的進化論越來越完美，那些粗暴的評論和惡毒的攻擊越來越少了，進化論贏得了越來越多的信仰者。
《人類的起源》
發表《物種起源》之後的達爾文並沒有終止他的創作，他的一些新著也相繼問世：《蘭花的傳粉》、《同種花的不同形態》、《攀緣植物》等。
1864年11月，達爾文被授予英國科學界最高榮譽--皇家學會柯普利獎章。1868年，達爾文又出版了另一部生物學論著《動物和植物在家養下的變異》。這些論著為人們正確和深刻地理解《物種起源》起了很大的作用，生物進化規律也得到了越來越多的人們的讚同。
1871年2月24日，達爾文的另一部著作《人類的起源》出版了。達爾文用充滿智慧的語言闡述了他的人猿同祖以及人是由低等動物進化來的理論。
在《人類的起源》中，達爾文以非凡的智慧論述了從猿到人的進化過程--生存和鬥爭的需要使猿人的手變得靈活，繼而兩腿直立了，這又導致了脊椎和骨盆構造的變化以及腦和顱骨體積與重量的增加，而腦和顱骨體積與重量的增加則無疑代表著智慧的發展，於是，人漸漸形成了。
達爾文關於人類起源的理論的確稱得上是天才的論斷，因為在達爾文去世之後，人類的祖先猿人（猿與人類之間的過渡類型）的化石才相繼出土。
盡管達爾文年輕時在愛丁堡大學對醫學很厭惡，但正是他所厭惡的那些解剖學、胚胎學等知識，長期以來引導他獲得大量的動物學知識。這些動物學知識成了達爾文人類起源理論的依據。在《人類的起源》中，他首先從人體的構造講起，說明人是哺乳動物；再把人的腳和手與動物的四肢相比較（這些相同部位的器官現在被稱為同源器官），達爾文得出結論，人類和這些脊椎動物有共同的起源；接著，他引用了當時被人們所廣泛接受的胚胎學方麵的成就來證明人猿同祖的理論；最後，達爾文又列舉了諸多返祖現象，例如，有些人有著像野獸一樣擺動耳朵的能力等等。
晚年，在觀察出生不久的孫子們的表情的樂趣中，達爾文完成了《人和動物的表情》一書。
1882年4月19日，這位偉大的生物學家在唐恩花園平靜地走完了他的一生。4月26日，達爾文如英國曆史上的那些偉人一樣，被安葬在威斯敏斯特大教堂墓地。與他同樣享受此蓋世殊榮的還有英國偉大的科學家牛頓、天文學家赫歇爾、地質學家賴爾等。為了紀念達爾文，人們在他考察過的加拉帕戈斯島上，建造了達爾文研究所，鑄造了一尊莊嚴的達爾文銅像。在這個曾經有過重大發現的地方，達爾文銅像神情肅穆，眼睛眺望著遠方，臉上依然是那種慣有的思索神情。
大事年表
1809年2月12日，查理·羅伯特·達爾文出生在英國舒茲伯利。
1817年進入一所私立小學讀書。
1818年成為舒茲伯利中學的寄宿生。
1825年進入愛丁堡大學學習醫學。
1828年轉入劍橋大學學習神學。
1831年隨同“貝格爾”號進行五年環球考察。
1836年“貝格爾”號結束航行，達爾文抵達英國。
1838年閱讀馬爾薩斯《人口論》，受到啟發。
1839年同埃瑪·韋季武德結婚，後來移居肯特郡附近的唐恩村。
1856年開始寫作《物種起源》。
1859年《物種起源》在倫敦出版。
1864年英國皇家學會授予達爾文柯普利獎章。
1868年出版著作《動物和植物在家養下的變異》。
1871年出版巨著《人類的起源》。
1882年4月19日，在唐恩花園去世。
4月26日，達爾文被安葬在倫敦威斯敏斯特教堂墓地。