还是在布特勒博士学校时，他就常常去捕捉昆虫，寻找矿石，拾拣贝壳，采集动植物标本……并听人讲解晴雨表上游标的原理，跟一位校外老师学习几何学知识。在布特勒博士学校学习的最后一年，他的哥哥置办了一套化学仪器，在花园的工具房里，布置了一间实验室，努力进行化学上的研究。达尔文尽管一天的学习和活动已经十分劳累了，可他仍然跑步回家，赶着去当哥哥化学实验室的助手。达尔文一边帮助哥哥做实验。一边看书。后来，就学着动手独自操作，很快就掌握了制作几种化合物的方法。他把和哥哥一起进行化学实验看成是“受到的最好教学”。
在医学院学习期间，达尔文曾结识了一些爱好自然科学尤其是生物学的青年朋友，其中一个是比他高几年级的葛兰特。在一次散步时，葛兰特热情地给达尔文介绍了拉马克的进化观点。虽然达尔文曾读过祖父写的《动物生理学》一书，但对拉马克的进化观点还是表示了极大的惊讶。葛兰特是研究水生动物的，达尔文经常跟着他到潮水涨落的沙滩上捕捉动物，并尽最大努力进行解剖。在这期间，他们还和渔民一道撒网捕鱼，捕捞牡蛤，并且制成各种标本，带回来分析研究。
有一次，达尔文利用简陋的显微镜，进行了两小时的观察分析之后，发现了一种名叫板枝蚧的动物，所产生的具有鞭毛并能运动的幼虫，而过去却被研究家们错误地认为是板枝蚧的卵。还有一次，他又通过显微镜观察到类似蠕虫的海蛭的卵衣，而过去曾被人们认为是墨角藻幼龄阶段的球状体。他把这两项发现写成论文，在当时爱丁堡大学学生自己成立的、以古罗马博物学家普林尼命名的学会上进行了宣读，获得了大家的好评，这使年轻的达尔文受到了极大的鼓舞。
达尔文还非常虚心好学。当他听说一位黑人擅长剥制鸟类标本，就立即前往拜访和请教。他从黑人老师那里学会了制作标本的技术，彼此还建立了深厚的感情。
学校放假之后，达尔文就和朋友或姐姐一起，进行远足旅行、打猎。有时与猎场的看守人一起，整天跋涉在丛林蔓草之中；有时还登上积雪的高山，常常累得喘不过气来，可心情却格外舒畅，他和朋友们捕获和采制了很多不常见的鸟雀和植物标本，学会了观察和搜集动植物的方法。
在剑桥，达尔文仍然以大量的时间进行郊游，阅读各种自然地理著作和搜集昆虫、植物等活动。
长期的实践活动，使年轻的达尔文更加精明能干，他发明了两种新的采集方法。一种方法是在冬季刮下老树上的附着物；另一种方法是采集船底下的附积物。这样，他便得到了一些别人得不到的罕见物种，并收在斯蒂芬编的《不列颠的昆虫图解》中。
有一次，达尔文发现一棵老树上有一片坏死的皮，凭多年经验，他马上感到今天要有收获了。他小心翼翼地剥下老树皮，一眼看到了两只罕见的甲虫。达尔文兴奋极了，他极为熟练地一手捉了一只，心里乐开了花。他刚想仔细看看这两个可爱的小家伙时，又发现了第三只更为罕见的甲虫。怎么办？虽然寒风刺骨，达尔文却急出了汗。绝不能让它逃走，达尔文顾不得多想，把左手上的那只放在嘴里，正想腾出手捉第三只，他感到嘴里的小家伙一动，喷出一种液体。顿时感到嘴里又麻又痛又烫。他赶快把它吐了出来，那只狡猾的小家伙便欢蹦乱跳地逃跑了。等再想抓第三只时，却懊丧地发现它也不知道什么时候溜走了了。这个小故事却生动地反映了达尔文珍惜每一次科学实践的机会，热衷于生物学研究的心态。达尔文在阅读了大量自然科学书籍后，受到很大鼓舞，尤其是波堡德的《南美旅行记》和赫夏尔的《自然哲学的初步研究》，更激励了青年达尔文的雄心，使他强烈地希望自己也能为自然科学的大厦增添一砖一瓦。
在剑桥大学三年的大学生活中，他结识了许多地质学家、动物学家和植物学家。其中对达尔文影响最大的是汉斯罗教授。
汉斯罗是老一辈的自然科学家，在植物学、昆虫学、化学、矿物学、地质学方面有着丰富的知识。达尔文经常去听汉斯罗讲课，并被他生动的讲演所倾倒，汉斯罗见达尔文对自然科学兴趣浓厚，经常热情地关心、帮助他，1830年初，在汉斯罗的鼓励下，达尔文开始了对地质学的研究、考察了几个地方。同年8月在汉斯罗的介绍下，达尔文与地质学家汉威克教授一起，去北威尔进行古岩层的地质考查。这一次爬山越岭的地质考察，使达尔文得到了很大收获。知道了怎样调查研究一处的地质，还学会了检验岩石层，采集化石等本领，为以后的环球旅行奠定了良好的基础。
达尔文热心于生物学的研究，但是由于神学思想的长期熏陶，“神创论”留下了很深的烙印，对拉马克的进化观点还不能正确理解，究竟谁是谁非？达尔文有着对生物学的极大兴趣，带着“神创论”与“进化论”的矛盾结束了大学生活，走出了剑桥大学的校门。
《物种起源》
1831年12月2日，22岁的达尔文在汉斯罗教授的推荐下以博物学者的身份登上了“贝格尔”舰，开始了五年的航行考察生活。
首先他在船尾布置了一张网，捕获各种各样的水生动物，然后将它们逐一鉴定，解剖登记入册。
正当达尔文愉快地忙碌的时候，突然天空阴暗起来，海面上风浪狂起，船只剧烈地颠簸着，他顿时感到天旋地转，无法站立，一个劲地呕吐起来。水手们见到这种情形，不禁担心地说：“这可怎么办？还刚刚开始呢，今后的远航……”达尔文坚定地回答：“不要紧，我一定会战胜它！”话音刚落，“哇——”又吐了起来。大家赶紧把他扶到舱里的吊床上休息，达尔文对水手们说：“谢谢你们了，请放心，如果这次航行半途而废的话，那么，我将来在坟墓中也绝不会安息的。”追求科学真理的理想激励着达尔文，他充满了战胜困难的坚强信念。晕船的痛苦算得了什么！水手们一走，他又开始工作了。
达尔文实践了自己的诺言，坚持不懈地工作着。他把每天所观察到的各种现象都准确、详细地写进了航海日记和考察笔记。并且一遇到机会，就把它们寄回英国。这个工作持续了将近5年，直到航程结束。即使旅途中发烧不退，病了两个多月，日记也从未间断过。
在达尔文的航海日记中，记载着极其丰富生动的考察事实。
1832年2月16日，“贝格尔”号到了佛得角群岛，达尔文入丛林，攀悬崖，涉草地，搜集各种珍贵的动植物标本，挖掘古生物化石，“没有偷闲过半个小时。”群岛上铺满大地的奇花异草，千种彩蝶，万类昆虫，常常让达尔文乐而忘返；千差万别的珍禽奇兽，古怪的化石兽迹，又常常使达尔文处在“非常惊奇”之中。是什么力量把大自然装饰得这样锦绣多娇？是什么缘故使得很多动植物种类，古代的和今天的，虽近似但又不同呢？难道真像神学院的老师在讲述《圣经》的时候所说的，形形色色的生物都是上帝创造出来的吗？他还记得自己不久前给船上水手们复述这些说教时，水手们捧腹大笑的情景。是啊，见闻广博的水手为什么觉得可笑呢？达尔文决心找到答案。
在航行考察中，达尔文除了采集标本、化石外，还很重视向当地劳动群众学习求教。
有一次，一位高侨人对他说：“我们这里的雌鸵鸟总是成群地把蛋下在同一个巢里，等到有20到40个蛋的时候就让雄鸟孵化，而雌鸟又集体到另一个巢下蛋去了。”
达尔文听了将信将疑，便亲自做了实地调查。原来雌鸵鸟每隔三天才下一个蛋，假如一只雌鸟把每次排卵期的十几个蛋全部下完再自己孵化，那么，先下的蛋在高温环境里早就变坏了。此地鸵鸟的这个习性正是对当地炎热气候的一种适应表现。
达尔文还从居住在不同地域的居民口中知道了很多的事例，使他感到动物和自然界之间存在着一种密切的关系。
1833年8月，达尔文在朋塔阿耳塔进行化石的挖掘工作。有一天，人们挖到了一种剑齿兽的化石，它的身体像大象，牙齿却小得像老鼠，眼睛、耳朵和鼻孔又像水中的海牛。达尔文看到这个“怪化石”感到十分惊奇。
“为什么现代不同类型动物的特征，集中在古代同一种动物身上呢？”难道，现在不同的动物是从古代某种动物演变来的？可是，《圣经》上谈的却是万物不变，他不能不怀疑上帝创造万物的说法了。
1835年9月，“贝格尔”号来到了加拉帕格斯群岛。这个群岛共有大小10个相邻很近的岛屿，岛上小鸟甚多，一下子把达尔文吸引住了。他观察了岛上所有的26种小鸟，发现都与大陆上的鸟类相仿，但由于岛屿的不同而各有差异。他仔细观察确认，这26种小鸟，有25种是变种，这些岛上原来没有鸟类，后来，有人从外地带来了一种，在各岛上不断繁殖变异，形成了现在的各个种类。
群岛上的植物没有美丽的花朵，所有的昆虫也都和植物一样，呈现着沙漠生物的色彩。达尔文认为，这是由于这样的生存条件适宜这种样子。
几年的爬山涉水考察，达尔文耳闻目睹了生物界大量变异的事实，他终于抛弃了《圣经》上关于物种不变的论调，提出了“物种是逐渐变化的”观点。
1835年底，“贝格尔”号驶离了加拉帕格斯群岛，穿过太平洋，经过澳洲南沿，越过印度洋，绕过好望角，胜利返航了。
1836年10月2日，达尔文激动地跳下了带给他丰硕成果和崭新思想的“贝格尔”号军舰，登上了阔别五年的祖国大地。
“物种是可变的！”这是达尔文经过航海实践得出的结论，也是他艰苦卓绝的劳动结晶。
达尔文虽然在航行期间形成了物种可变的科学见解，但物种为什么会变化，各种生物之间有什么联系，还没有形成清晰的认识。
于是达尔文在醉心研究五年中搜集到的化石、标本，整理“旅行日记”的同时，他访问老农、育种家、园艺家，倾听他们介绍人工选育良种的经验，并亲自参加实践，养了许多鸽子，研究家鸽品种起源问题。
达尔文注意到，家鸽的品种不同，外形差异很大，但内脏和骨骼的构造基本上相同。他进一步调查和研究了家鸽的饲养史。原来，不同种类的家鸽的祖先都是岩鸽。岩鸽由野生转为家养后因生活环境的改变，经过长期的人工选育，才形成了各种各样的鸽子。
他又对不同品种的金鱼的形成进行了研究：在中国的宋朝，有人把一种带朱红色鳞的鲫鱼放在缸里饲养，由于环境的改变，鱼就渐渐表现出形态上的差异，人们把形态不同的鱼分缸饲养，结果变化越来越大，经过近千年人类的不断选择，终于培养出现在多个品种的金鱼。
通过走访、观察，达尔文形成了对人工选择作用的认识：具有各种不同特征的动植物品种，可以起源于共同的祖先，它们在人为的干预下，积累和发展了对人有利的变异，逐渐形成了人们所需要的新品种。
那么，生存在自然条件下的更大量的物种有没有类似人工选择的过程呢？
达尔文想到了北大西洋马德拉岛上的昆虫。它们当中大部分翅膀退化，不能飞；而少数能飞的昆虫翅膀特别发达。为什么会这样呢？经过分析，达尔文明白了：马德拉岛上经常刮大风，会飞的昆虫，大部分被大风刮到海里淹死了。只有少数翅膀特别发达和爬在地上不善于飞行的昆虫侥幸存活下来。经过许多年，一般会飞的昆虫灭绝了。于是，岛上只有翅膀特别发达和不会飞的昆虫了。
他研究了大量类似的例子，得出了结论：在自然界，的确存在着类似人工选择的过程，只不过起选择作用的不再是人，而是大自然，也就是说：一种生物产生的后代，能适应环境的就生存下来，不适应环境的就被淘汰。这就是“自然选择”。他认为，现代生存的各种各样的生物都是由少数原始生物，经过漫长的时间变异、遗传和自然选择的过程，从简单到复杂，从低级到高级，逐渐进化来的，绝不是上帝创造的。他把这个思想告诉了他的朋友赖尔和虎克以及他们的哥哥，并说“我要写一本《物种起源》”。
达尔文开始写书了，他克服了一个又一个的困难和意外事件带来的悲伤，怀着把毕生精力献给科学事业的信念，顽强地工作着。
1858年夏，正当达尔文整理总结、奋笔疾书之际，收到了住在马来群岛从事考察研究的另一位英国生物学家华莱士的一篇论文。这篇题为《论变种无限地离开其原始模式的倾向》的论文，其内容跟达尔文正在总结写作的理论“惊人地相似”！
华莱士要求达尔文看完他的文章后，能交给赖尔审阅发表。开始，达尔文为了避免华莱士误会，想放弃自己二十年来的研究成果，单独发表华莱士的论文。但是，熟知达尔文研究成果的赖尔和虎克都不同意。在他们的建议和鼓励下，达尔文就把自己的原稿提纲和华莱士的论文，在“林奈学会”上宣读了。当时会场上反响强烈。许多进步的自然科学家满怀喜悦地聆听了这种崭新的进化论学说，而持“神创”观点的人，尽管感到厌恶，也只有窃窃私语，不敢出来反对。
1858年9月，在赖尔和虎克的一再敦促下，达尔文重新拿起笔杆，又经过一年多的努力，1859年11月24日，凝集了达尔文二十多年心血的科学巨著——《物种起源》终于出版了。
孜孜以求
《物种起源》出版后，在整个欧洲掀起了一阵滔天巨浪。真理是不可战胜的，经过了“牛津大论战”、“猴子案件”等等斗争以后，进化学说所代表的科学真理终于胜利了。恩格斯将达尔文的进化学说誉为19世纪世界的三大发现（细胞的发现、能量守恒和能量转换定律、生物学中的进化论）之一。《物种起源》发表后，达尔文感到身上的责任更重了，他又投入了紧张的工作。
从1860年起，达尔文开始写作第二部著作《动物和植物在家养下的变异》，进一步阐述了野生动植物在家养的条件下经过人工驯养，栽培和选择，变异成现在种类的道理。此时，达尔文的身体一直很差，但是，他以顽强的毅力，克服病魔的纠缠，坚持不懈地从事这一巨著的写作。经过长期的辛勤劳动，1868年11月30日《动物和植物在家养下的变异》一书出版了。
接着，他又用了三年时间完成了他的第三部著作《人类起源和性选择》。这以后，他又持续不断地写出了《兰科植物和授粉》、《攀缘植物》、《人类和动物的表情》等许多著作。晚年的达尔文身体越来越差，但他仍然进一步研究进化学说，虚心地向别人讨教不懂的问题，继续写出了《异花授粉和自花授粉的效果》、《植物的运动能力》等著作。在逝世的前两天，他还替他的儿子记录实验进展情况。
1882年4月19日凌晨四时，伟大的科学家达尔文的心脏停止了跳动。人们怀着巨大的悲痛把他安葬在伦敦威斯敏斯特寺院的牛顿墓旁，使达尔文享受了自然科学家最高的荣誉。