Il
Darwin sistemò, giovandosi di una vastissima documentazione sperimentale, la teoria del trasformismo biologico che era stata proposta da
Lamark nella Philosophie zoologique (1809) che spiegava le deviazioni biologiche del normale percorso naturale sulla base delle condizioni naturali e dei conseguenti bisogni. Con Lamark Darwin ammise l'importanza dei caratteri ereditari e la tendenza degli organismi a cambiare, ma di esso respinse l'ipotesi che faceva risalire le variazioni a fattori esterni. Oltre che da Lamark era anche stato proposto da Lyell che nei Principles of Geology dimostrava che la teoria delle catastrofi di Cuvier era infondata, teoria catastrofista, alla quale la maggior parte dei geologi dell'epoca aderiva. Darwin era rimasto influenzato dallo scritto di Lyenn, in particolare nella sua elaborazione dei meccanismi di evoluzione della crosta terrestre.Durante il suo viaggio Darwin confrontò fossili simili relativamente recenti con le corrispondenti forme viventi constatando la graduale transizione dalle une alle altre; si rese inoltre conto come forme viventi tra loro affini si succedessero gradualmente procedendo da Nord al Sud.
Darwin raggiunse anche l'arcipelago delle Galapagos, una manciata di terre emerse e sperdute nelle acque dell'oceano Pacifico quasi a cavallo dell'Equatore. Inizialmente Darwin definì l'arcipelago poco interessante, ma ben presto lo studioso dovette ricredersi quando fece il primo incontro con alcuni esponenti degli abitanti di quelle terre: due enormi testuggini, pesanti ciascuna un quintale, che vagavano tranquille sulla superficie nera di lava del suolo. A quelle testuggini ben presto si aggiunsero numerose altre diverse specie di animali, tutte, per certi aspetti, curiose: iguane marine, grosse otarie, numerose colonie di uccelli dotati di rosse sacche golari di cui fare bella mostra prima dell'accoppiamento (si trattava della cosiddetta fregata magnifica), oltre a gabbiani, cormorani e ancora molte varietà di fringuelli (praticamente una varietà per ciascuna delle tredici isole) tra loro diversi per la forma del becco e quindi per il tipo di alimentazione. Una "vetrina" di specie animali (e naturalmente anche di specie vegetali) che fece grande effetto sullo studioso e che ebbe un peso determinante quando, negli anni successivi al suo viaggio, egli decise di sistemare i suoi appunti dando loro una forma organica di ragionamento più complesso.
Darwin diede inoltre una spiegazione della formazione degli atolli in
The structure and Distribution of Coral-reefs (Struttura e distribuzione dei banchi di corallo, 1842) e studiò la fecondazione delle orchidee ad opera d'insetti.
Le osservazioni compiute da Darwin durante il suo viaggio e lo studio della selezione praticata sugli animali domestici dagli allevatori gli suggerirono l'idea di una lente trasformazione della specie resa possibile dalla presenza, ad ogni nuova generazione, di una moltitudine di variazioni accidentali, ignote nelle loro cause. Come l'allevatore può utilizzare per i propri scopi tali variazioni, così la selezione naturale, con l'accumularsi delle variazioni, provoca mutamenti nello sviluppo delle specie animali . Darwin scrisse un libro sul suo primo viaggio scientifico:
Journal of Researches into the Natural History and Geology of the Countries Visited durig the voyage of H.M.S. Beagle (1839).Il 2 ottobre 1836, a cinque anni dalla partenza, il Beagle ormeggiava finalmente in acque inglesi, e precisamente a Falmouth. Le stive erano piene di casse di materiale raccolto dal ricercatore; cospicuo era stato anche il materiale inviato man mano alla vecchia casa di Maer, ove biologi e geologi lo avevano già catalogato, almeno in parte. "Vostro figlio" commentò al dottor Darwin sir Sedgwich, professore di geologia a Cambridge, osservando il materiale inviato con vari mezzi da Charles "prenderà posto fra i maggiori scienziati del mondo".