达尔文《物种起源》的结束语是这样写的：“这种观点是宏伟壮丽的：生命及其若干威力最初被赋予几种或一种类型；而且，在这颗行星依据引力的既定定律运行之时，从如此简单的一个开端，最美丽和最奇妙的无穷无尽的类型已经和正在进化。”
地球上所有生命都是由共同祖先进化而来的，这一观点使人们在系统分类学、生物地理学、比较解剖学、比较胚胎学、古生物学等领域所发现的令人迷惑的种种现象有了合理的解释。在达尔文之前，这些学科基本上是描述性的，是达尔文一举把它们变成了因果科学，将它们统一起来，牢固地建立在进化论之上。
系统分类学
早在林奈时，分类学家就想建立一个能够反映出造物主的原始计划的“自然系统”，而达尔文认为，一个自然系统应该反映的是生物之间的进化关系，不同生物的异同，都可以由它们的进化关系的远近而得到解释。人们也曾经产生过疑问：为什么一个自然系统会以等级结构的形式出现？而用共同祖先学说来解释，这种形式就是再自然不过的了，一个属的所有物种都有同一个最亲近的共同祖先（所有的猫属动物都是从同一祖先进化来的），一个科的所有物种也是如此（所有的猫科动物都是从同一祖先进化来的），以此逐级类推（所有的肉食目动物、哺乳纲动物、脊索动物门动物、动物都分别有共同祖先），直至所有的生物都有同一个共同祖先。具有共同祖先，是一个分类等级中的所有成员为何彼此相似的原因。
生物地理学
早就发现不同地区的动植物群分布有不同的特点，把它们进行比较后，出现了一些令人产生疑问的地方：为什么有些地理、气候条件非常相似的地区，却生活着不同的动植物群呢？而有些地理、气候条件很不同的地区却又生活着相似的动植物群？为什么海岛生物在总体上与其邻近大陆的生物很相似，然而又有独特的物种？达尔文进行思想很大程度也是源于他对生物地理分布现象进行的思考。动植物现在的分布格局，只有用它们的进化史——从其原先的起源地点向四周扩散、进化的历史——才能得到合理的解释。具有相似的动植物群的地区通常在地理上是或曾经是联系在一起的，而像海洋、山脉、荒漠这样的地理障碍会使生物群体相互隔绝，出现较大的差异。那些有能力越过地理障碍的迁移者，通常会成为一个新型群体的祖先。这一点，在海岛上表现得非常突出，岛上的动植物都是偶然从大陆迁到了岛上，又因为适应岛上的环境而发生了各种各样的变化，产生了特有物种。最著名的是达尔文研究过的加拉帕格斯群岛上的鸣雀，后来被称为达尔文鸣雀。
达尔文鸣雀在南美大陆也有，但只有一种，而加拉帕戈斯群岛上多达5属13种。达尔文正确地推断，在很早以前有一群大陆鸣雀偶然（例如被飓风吹裹）迁移到岛上（现在我们通过比较蛋白质序列，可以推测这发生于大约100万年前），一个新的地理环境占据不同的生态空间，进化出多种不同的物种（称为“适应性辐射”），有了在别的地方只有其他鸟类才有的新习性：有的像啄木鸟一样啄木吃虫，有的以巨龟、鬣蜥甲上的寄生虫为生，有的则吸海鸟的血……其形态也出现了相应的变化。不仅是海岛，大陆也能出现这种“适应性辐射”。例如澳洲大陆在与其他大陆隔绝之后，真兽类哺乳动物没能迁移过去，而其原有的有袋类哺乳动物则进化成了有多种多样的形态和习性的物种。
比较解剖学
亚里士多德早就试图对不同种类的动物形态进行比较，找出其相似之处。例如，他认为鸟在某种程度上类似于鱼，鸟的身体上端有一对翅膀，鱼的身体前端有一对鳍；鸟的身体下端有一双脚，而大多数鱼也有第二对鳍在后端。16世纪，皮埃尔·贝龙（Pierre Belon，1518～1564年）发现人和鸟虽然外表一点也不同，骨骼组成和排列却很相似，绘制了一幅著名的比较图。到了19世纪，比较解剖学这门研究不同生物种类的形态结构的学科已十分发达，各生物种类内部结构的一致性也越来越明显。英国解剖学家理查德·欧文（Richard Owen，1804～1892年）在19世纪40年代，把这样的结构称为“同源”，将它们定义为“在不同的动物中，具有不同的形态和功能的相同器官”。其中最著名的例子是四足脊椎动物的四肢都有五趾。有的从外表看不出来有五趾，比如鸟、蝙蝠的翅膀，或鲸鳍，但将它们解剖，就可分辨出五个趾骨。有的在成体阶段少于五趾，比如马蹄，但是在其胚胎阶段仍有五趾。达尔文曾经感叹道：“用于抓握的人手，用于挖掘的鼹鼠前肢，马腿，海豚的鳍足，都用相同的模式构建，都包括相似的骨头并位于相同的相对位置上，还有什么比这更奇怪的呢？”如果这些器官是被分别创造出来的，造物主根本没必要让有不同功能和不同外形的器官有着相似的构造，因为这样的构造设计，就其功能和外形而言，有时显得不是那么合理，所以才让人觉得奇怪。但是如果用共同祖先学说来解释，就顺理成章了：所有的四足脊椎动物都来自同一个祖先，该祖先碰巧有五趾。在进化过程中，四足脊椎动物为适应不同的环境，在五趾的框架上做了改造，具有了不同的功能。
人们通过比较解剖学认识到许多生物体都有一些退化了的器官，不具有完整的功能，或完全没有功能。为什么上帝要创造出这些显然无用的构造呢？唯一合理的解释是，它们不是创造出来的，而是进化来的，这些构造原先在祖先中有完整的功能，在进化过程中由于环境、习性的改变，而逐渐退化了。
胚胎学
18世纪时，有些动物学家就已经发现，在动物胚胎发育的过程中，会经过一系列与较低等的动物很相似的时期。事实上，爬行类、鸟类和哺乳类在胚胎发育的早期都跟鱼类相似，例如出现腮裂，心脏只有两腔。而且在有些时期，它们的胚胎几乎不可能区别开来，原因就是在以前，这被认为是自然界阶梯的体现，高等动物的胚胎在发育过程中，逐步攀登自然界阶梯，经过类似低等动物的阶段而走向完美。19世纪初期，自然界阶梯的观念已经难以被人接受，德国胚胎学家冯·贝尔，提出了胚胎发育的“定律”，认为胚胎发育是一个从简单到复杂，从同质到异质，从普遍到特殊的过程。在胚胎发育的早期，各种生物胚胎都比较简单、同质，所以才出现了相似的形态。但是这种说法是不能解释胚胎发育过程中重演现象的原因的，例如，为什么爬行类、鸟类和哺乳类的胚胎会出现鳃裂？鳃裂并不比四足脊椎动物的颈部结构更同质或普遍。那么为什么须鲸的胚胎有牙齿？为什么高等脊椎动物的胚胎有脊索？达尔文在《物种起源》中最早指出，唯一合理的解释，就是这些奇怪的形态是它们的祖先的遗产：“胚胎结构相同透露了祖先相同。”此后不久，德国动物学家海格尔提出了生物重演律，声称个体发育是种系发生的重演，反映了简化和压缩了的进化过程，通过研究胚胎发育，就能够弄清楚动物的进化过程。这是极为简单化和极端的主张，因为胚胎发育重演的只是祖先的某个特定构造，并不重演祖先的整体形态。
古生物学
地壳的岩层是分层分布的，下面是古老的岩层，上面则相对年轻，而且每一个岩层的化石群都有自己的特点。岩层中的化石越古老，与现存生物的形态差异就越大，而两个连续岩层中的化石彼此之间的相似程度，要比相距较远的岩层中的要接近得多。达尔文指出：“如果早期的生物群逐渐进化成了晚期的生物群，那么这种化石分布模式，正是我们预料会出现的。越古老的岩层，其化石的结构越简单，那些最简单的生物，要比更复杂的生物更早出现，而最复杂的生物，则最晚出现。这样的现象也与进化论的预测完全相符：复杂的生物是由简单的生物进化来的。但是，如果生物是进化来的话，那么我们也应该预料会发现从古老形态逐渐演变成晚近形态的连续化石记录。然而，古生物学家却发现化石记录到处都是断层、鸿沟，是非常不连续的。在《物种起源》发表的时候，还找不到一具直接证明生物进化的所谓过渡型化石。”
化石记录不能反映出生物是逐渐变化的，对此达尔文解释说，这是由于化石记录极为不完全。化石是偶然形成的。在正常情况下，动植物的尸体将被肉食性、腐食性动物吃掉，残存的部分将逐渐被微生物分解，最终完全消失。只有在罕见的情况下，在死亡后尸体很快被埋葬起来，才避免了被彻底分解的结局，逐渐地变成了化石。发现化石的可能性就更低了，绝大多数化石都深埋在地层之中或海底岩层中而没有出土之日，有的虽然出土了，但在人们发现之前已被侵蚀、破坏，只有一小部分的化石才能落到我们的手里。幸运的是，在《物种起源》发表后不久，人们就找到可用于支持达尔文学说的化石。1861年，在德国出土了始祖鸟化石，它既有爬行类的特征（有牙齿和长着21块椎骨的尾始祖鸟化石巴），又有鸟类的特征（叉骨和带羽毛的翅膀），很显然是从爬行类到鸟类的过渡型。在此之前进化论者已认为鸟类是从爬行类进化而来的，始祖鸟化石证实了这个说法。在《物种起源》发表后的第二年，欧文描述了一具始祖马化石，它像狐狸那般大小，前足有四趾，后足有三趾头。此后不久，又有三种类似马的化石在北美洲和欧洲出土。1874年，美国古生物学家奥斯尼尔·马许把这些马的化石综合起来，首次显示了一种现代脊椎动物（马）是如何通过一系列的过渡型进化而来的。
共同祖先学说非常简单，一提出来，很快就被生物学家们所普遍接受。在《物种起源》发表之后的15年间，几乎所有的生物学家都成了进化论者，都相信共同祖先学说。确定生物之间的亲缘关系和它们的进化史，在很长一段时间内都是热门的研究课题，现在更成了常规工作。但是生物又是通过什么样的机制，从共同祖先进化而来呢？为此达尔文又提出了另一重要学说——自然选择学说。