1832年2月28日，“贝格尔号”舰驶抵巴西。达尔文登上南美洲大陆，在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”舰抵达拉帕戈斯群岛，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”舰凯旋回国。达尔文回到希鲁兹伯里同阔别5年的家人团聚了。这次航行，为达尔文一生的事业打下了伏笔！
达尔文回国后不久以后，经过亨斯洛教授介绍结识了著名的地质学家赖尔。
他接受赖尔教授的有关建议，先在剑桥把考察中收集到的标本整理好，然后就搬到伦敦，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。
这一期间，达尔文的脑海中经常盘旋着这样的事实，比如，在巴塔哥尼亚发现的动物化石，年代虽然久远，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，在当时仍是个不解之谜。
面对这些复杂而深奥的问题，达尔文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，可以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，达尔文在他将近30岁时，同他相爱多年的埃玛在梅庄教堂举行了婚礼。婚后，埃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。埃玛对达尔文所给予的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。
1844年夏季，达尔文完成了辛勤耕耘的共计231页的《物种起源》新提纲。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说明，已达到令人特别信服的境界。
在1859年11月24日，《物种起源》第一版正式问世了。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。
《物种起源》的出版以后，生物进化理论思想，受到了无产阶级革命导师马克思和恩格斯的高度赞扬，也得到了进步学者，如胡克、赫胥黎、华生、格雷和华莱士等人的热情支持。然而，那些坚持“神创论”观点的自然科学家们却对生物学领域里的这场大革命抱着极端敌视的态度，他们利用《科学协会会报》等刊物，连篇累牍地发表文章，攻击达尔文和他的学说，其中包括他剑桥时代的老师、对他有过巨大帮助的著名地质学家塞奇威克。与此同时，极力维护神学的主教和教士们则利用神学院声讨达尔文的著作，斥责达尔文的进化论是“亵渎神明的异端邪说”，《物种起源》“是一种推翻上帝的阴谋，意在扰乱对神的信仰，企图毁灭上帝。”他们公开叫嚷，要“围剿达尔文，打倒达尔文！”妄图把科学史上这场革命扼杀在摇篮之中，反动气焰十分嚣张。
一场进化论同神创论、科学同迷信、真理同谬误的战斗不可避免的了。1860年夏天，英国科学促进协会在牛津大学召开会议。至此，反对《物种起源》同捍卫达尔文学说的斗争从书面论战发展成了面对面的斗争。达尔文因病不能与会，委托赫胥黎和胡克代表他出席。辩论开始后，牛津大主教威尔伯福斯抢先跳上讲台，妄图用花言巧语蛊惑人心，煽动宗教情绪，控制舆论。他大肆宣扬《物种起源》冒犯了造物主，不合神意，是对基督教的直接挑战。
他唾沫横飞地讲了半个小时，除了装腔作势，以势压人，别无一点科学内容。
大主教的胡言乱语引起台下一批教士、教徒的喝彩、鼓掌和狂叫声。随后，赫胥黎从容地走上讲台，发表了长篇演说。他首先用平静、坚定而又通俗易懂的语言，概括地阐述了达尔文进化论的内容，指出这个学说不是凭空捏造出来的，而是建立在20多年观察研究基础上的，反映了生物世界的客观规律。它是科学真理和人类智慧的结晶。赫胥黎以雄辩的事实，富有逻辑性的论证，同大主教那种内容空洞、语无伦次的谩骂，形成了鲜明的对比。他的语音刚落，赢得了进步听众，特别是青年学生的热烈掌声。接着，胡克在听众的邀请下又作了简短的发言。他用事实着重指出大主教威尔伯福斯并没有看懂《物种起源》，甚至缺少有关植物学的最起码的知识。原先气势汹汹的大主教听了胡克发言后，再也没有登台答辩的勇气，只好悄悄地溜出了会场。听众再一次向进步学者，向真理的捍卫者们报以热烈的掌声。会议在进化论大获全胜的气氛中结束了。在这以后的20年里，尽管达尔文的学说影响越来越大，但是神创论者却始终没有停止过对达尔文的攻击。
1860年，达尔文开始撰写另一部规模更大的著作《动物和植物在家养下的变异》。由于他长期过度地工作，积劳成疾，以致身体状况日益恶化，经常被迫中断写作，致使这本巨著花了8年时间才得以完成。随后，他又不顾病魔缠身，经过长期坚持不懈的努力，于1870年8月完成了《人类起源和性的选择》一书的写作，阐明了人类在动物界中的位置，人类同高等动物的关系，得出了人类起源于古猿的结论，奠定了唯物主义的人类起源理论的基础。
由于达尔文及其生物进化论对科学、对人类的杰出贡献，美国、法国、德国、荷兰、比利时、意大利、丹麦、瑞典、瑞士、俄罗斯等国家和地区的60多个科学研究机构和学术团体，先后授予他各种博士学位、会员、终身会员、院士等荣誉称号和奖章、奖金。在各种荣誉面前，达尔文严格遵循的一个准则是：名望、荣誉、享乐、财富同友谊相比，只不过是尘土罢了；自己应该给人类带来更多的光明，应当责无旁贷地把一生献给科学研究。
1882年4月19日凌晨4点，达尔文这位杰出科学家的心脏停止了跳动，享年73岁，巨星陨落，举世悲恸。人们为了表达对他的无比崇敬和永久纪念，将他安葬在伦敦威斯敏斯特国家公墓，和伟大的物理学家牛顿的墓并排在一起。达尔文作为划时代的伟大科学家，将永驻人间。他为人类所作的贡献也将永远流传！