隨“貝格爾”號軍艦航行的幾年裏，改變了達爾文的人生，也改變了生物學。達爾文在《物種起源》的開頭如此寫道：“當我作為一名博物學家隨‘貝格爾’號航行的時候，有關南美洲棲息生物的分布以及那塊大陸上現存和過去的棲息生物的地質關係的某些事實，給我留下了深刻的印象。在我看來，這些事實多少能夠用於闡明物種的起源——這個我們最偉大的哲學家之一所說的神秘中的神秘。”
究意是什麼讓達爾文敢於懷疑物種不變觀念，創立生物進化論呢？達爾文晚年在自傳中說，有三件事實給他留下了深刻印象：一是在南美大草原發現大型動物化石有犰狳一樣的盔甲；二是從美洲大陸南行，鄰近動物物種相互取代的方式；三是加拉帕戈斯群島上的生物群多數有著南美生物的特征，特別是每個島上的生物群相互之間略有差異的情形。“很明顯，隻有假定物種是逐漸改變的，才能解釋類似這樣的事實，以及其他許多事實。”
“貝格爾”號在南美海域航行了三年多，其間達爾文多次上岸做地質考察。他在岸邊挖到了一些樹獺、犰狳和美洲鴕的化石。這幾種動物在當地都還生存著，但是比化石小多了。顯然這些化石代表的是已滅絕的物種。達爾文仔細地探測了發現化石的地層和周圍環境，判斷這些化石的年代並不久遠，而且沒有發生過大洪水的任何跡象，也沒有發生過其他災難的跡象。這些生物的滅絕不像是災變引起的，那麼這些生物為什麼會滅絕？它們與現代樹獺、犰狳和美洲鴕是否有親緣關係，都是從同一祖先分支演變來的？
達爾文對他所觀察到的生物地理分布現象感到更加疑惑。自然神學認為上帝為每一個地區設計了適應那裏的生存環境的物種。但是這個簡單的解釋難以說明複雜的生物地理分布現象。達爾文注意到，在南美海岸，動物群和植物群的變化極為明顯。比如從阿根廷的布宜諾斯艾利斯到聖菲，緯度僅僅變了3°，物種卻變了很多。達爾文在很短時間內，就觀察到有六種鳥是從前在布宜諾斯艾利斯沒見過的，這兩個地方這麼靠近，地理環境又那麼相似，上帝造物時會讓給每一個地方各造出那麼多不同的物種？美洲鴕鳥特別讓達爾文感興趣，這種無翅鳥和非洲鴕鳥一樣，都適於在開闊的草原上過類似的生活，然而它們的形態又非常不同。上帝為什麼不為有著相同的生活條件的所有地區製造同一物種，卻要讓南美和非洲有不同的生物群呢？在南美巴塔哥尼亞大草原旅行時，達爾文起初隻注意到普通美洲鴕。往南旅行了一段距離之後，達爾文的夥伴抓了一頭美洲鴕來吃，達爾文才注意到那是一個新物種，與前麵見到的普通美洲鴕不同。為什麼在北邊草原上生活的是普通美洲鴕，到南邊草原卻變成了新種美洲鴕？二者的地盤並無明確的界限，在中間地帶同時生活著兩個物種。如果是因為南北方環境的差異，上帝為南北方各創造了一種美洲鴕的話，又如何解釋它們在中間地帶相互競爭的事實呢？