达尔文大学毕业时，正是英国即将走向全盛的时期。当他结束对北威尔士的地质考察，回到施鲁斯伯里的家中时，他收到了亨斯洛教授的一封信。信上说，英国政府要派一艘“贝格尔”号军舰进行环球航行，舰长需要一位自然科学家同行。亨斯洛教授推荐他参加这次航行。父亲对此表示强烈反对。
达尔文只好去求助父亲所敬重的舅舅乔赛亚为他说情。在乔赛亚的劝说下，父亲终于同意了他的请求。
1831年12月27日“贝格尔”号军舰在做好充分的准备之后，气势巍然地驶出德文港，向南美洲进发，开始了长久而艰难的环球航行。
这次航行具有非常重大的历史意义。达尔文此次航行考察的计划是研究地质学和无脊椎动物学。海上航行和陆上考察都是极其艰苦的。航行中，狂风的呼啸声，海涛的咆哮声，军官和水手们声嘶力竭的喊叫声，经常把他这个第一次参加远航的人吓得魂不附体。他遇到的最大威胁就是晕船的痛苦，这常常迫使达尔文不得不暂时中断自己的工作。晕船将达尔文折磨得筋疲力尽，有时稍微动一下，就像要昏死过去那样。正如他在给父亲的第一封信里所说的：“一阵阵的干呕太痛苦了，那滋味使我感到不是肠子就是胃撕裂了。”然而追求科学的美好理想始终在激励着他，使他充满坚强的信心，去战胜各种困难。
达尔文的父亲罗伯特医生看起来严肃冷峻。
1832年2月28日，“贝格尔”号军舰驶抵巴西，到南美洲大陆和附近的岛屿进行考察。他的足迹遍及巴西热带雨林、里约热内卢、马尔多纳多、萨尔瓦多、布宜诺斯艾利斯、火地岛、智利和秘鲁等地，历时三年半。他爬高山、涉溪水、入丛林，过草原，搜集珍奇的动植物标本，挖掘古生物化石，历尽千辛万苦。他经常和同伴骑着马在荒无人烟的地带进行考察，并虚心地向当地居民请教。日晒雨淋，饥渴劳累，以及毒蛇猛兽和传染病的威胁，都没有使他畏缩不前。
达尔文的思想随着考察的进展而不断地向前发展。他开始认真思考“秘密中的秘密——新的生物在世界上初次出现的问题”。究竟是维护“物种不变”和“上帝创造万物”的传统观念，还是尊重客观事实，即物种在随着气候、环境的逐渐变化而不断地发生变异？在达尔文头脑中展开了激烈的思想斗争。
1835年秋天，“贝格尔”号军舰抵达加拉帕戈斯群岛，在这里，达尔文采集到26个类型的陆栖鸟类。不久，航行到塔希提岛和新西兰，又经过澳大利亚横渡印度洋，再绕过好望角，回到了大西洋。1836年10月，“贝格尔”号军舰凯旋回国。达尔文回到施鲁斯伯里同阔别五年的家人团聚了。这次航行，决定了达尔文一生的事业。
达尔文回国后不久，在亨斯洛教授的介绍下，结识了著名的地质学家赖尔。他根据赖尔教授的建议，先在剑桥把考察中收集到的标本整理好，然后搬到伦敦，在大英博物馆附近租了房间住下，用了两年时间核对了航海日记中的全部记录，联系出版了《贝格尔舰航行中的动物学》，还发表了几篇地质学论文。随后，他便把主要精力投入到探索物种起源和生物进化问题上来。
达尔文发现一种古代动物化石与现在南美洲犰狳很相似这一期间，达尔文经常回想他所发现的一些事实，比如，在巴塔哥尼亚发现的年代久远的动物化石，却和今天的动物很相似；美洲大陆上的同种动物，从南到北，它们的形态逐渐不同；加拉帕戈斯群岛的大多数生物都具有南美洲生物的特征，而群岛各小岛上的同种生物又多少有些不同。这些事实，有力地促使他产生了物种可变的思想，但是物种为什么会变化，变化的规律是什么，仍是个不解之谜。
为了解决这些复杂深奥的问题，达尔文非常明智地遵循了赖尔在地质学方面研究的范例，决定采用“将今论古”的方法，面向现实，面向实践，来解释物种起源和变化的原因。他首先选择了家养动物和栽培植物这条生产实践的道路，去探索奥秘。他废寝忘食地进行了15个月的系统调查，经常和育种家、园艺家交谈、通信，从他们那儿搜集各种家养动物和栽培植物的变异材料和培育方法。他亲自参与实践，认真考察了小麦、玉米等农作物的选育过程，亲自动手搞移植实验；仔细地分析比较鸡、鸭、鹅、牛、羊、猪、狗、猫等家禽家畜各个品种之间的差异，还着重研究了各种家鸽品种之间的差异和起源问题。这些卓有成效的研究工作，终于使他得出了如下结论：物种在人工干预下是能够改变的，家养动物和栽培植物的各种优良品种并不是上帝为了恩赐人类而分别创造出来的，它们是人民群众经过世世代代人工选择的结果；物种在人为条件下能够发生进化；具有明显不同特征的品种可以起源于共同的祖先。接着，达尔文又进一步研究了“在自然条件下又是什么力量在起选择作用”的问题。他联系在环球考察期间发现的各种现象，结合多年观察实验积累的大量事实，提出了“自然选择”即“适者生存”的理论。他认为：“在复杂的生存斗争中，对生存有利的变异，就会使物种有比较好的生存和发展的机会；而对生存有害的变异，却会使物种难于生存，甚至灭绝。自然选择每日每时地在自然界检查着生物最微小的变异，它像人工选择一样在起着汰劣留良的作用。”
1839年1月29日，达尔文同他相爱多年的爱玛在梅庄教堂举行了婚礼，那时他已经将近30岁了。婚后，爱玛不仅非常体贴丈夫，而且热情支持达尔文的科学研究，经常替他整理和抄写科学论文。达尔文由于在环球考察期间饱经风霜，历尽艰辛，在以后的40年里身体一直不好。特别是从1841年开始，经常感到周期性胸闷、胸痛和晕眩。爱玛对达尔文无微不至的关怀和照顾，增强了他战胜疾病去完成自己伟大事业的信心和力量。
有关“进化论”的记载
1842年夏季，达尔文完成了《物种起源》的新提纲，总计231页。这份提纲包括了后来正式出版的《物种起源》的主要内容。但他对此并不满足，也不急于出版，而是坚持作进一步的补充。
《物种起源》第一版于1859年11月24日正式问世了。伦敦的几家书店门口，人声鼎沸，人们争相购买刚刚出版的新书，1250册书当天销售一空。后来，增印的第二版3000册也很快被抢光，就这样先后共印了6版。达尔文的《物种起源》用极其丰富的资料，令人信服地证明生物界是在不断变化的，它有自己发生和发展的历史，现在世界上形形色色的生物都不是上帝的特殊创造物，而是“若干少数生物的直系后代”，生物进化是客观存在的事实，并且有规律可循。它们从简单到复杂，从低级到高级，不断发展、进化。这种发展和进化，不是什么超自然力量干预的结果，而是自然界内部矛盾斗争的结果。他用物种变异的普遍性，推翻了物种不变论的形而上学的观点，有力地戳穿了千百年来流传的“上帝创造万物”的谎言。它在整个生物学领域产生了巨大而深远的影响，完成了一次伟大的革命。