"In quale modo agisce sulla variazione, la lotta per l’esistenza?" Così si apre il IV capitolo dell’Origine delle specie, con una domanda a cui Darwin si sforzò di rispondere nel modo migliore possibile, dimostrando una grande superiorità rispetto ai suoi precursori, che pur avendo avuto alcune brillanti intuizioni non ebbero il suo stesso merito, cioè quello di aver posto le basi della teoria dell’evoluzione per selezione naturale. Dopo essere approdato alle conclusioni, precedentemente trattate, sulla lotta per l’esistenza, Darwin si pose alcuni importanti interrogativi: in che modo, ad esempio può avvenire che alcuni individui soccombano ed altri no? Perché alcune specie scompaiono mentre altre continuano ad esistere? Non si può rispondere a queste domande se non alla luce della selezione naturale, che rappresenta il nucleo, la grande evoluzione della teoria darwiniana. E per dare una "definizione" di selezione naturale o di "sopravvivenza del più adatto", così anche viene chiamata, è forse meglio riportare ciò che scrive lo stesso Darwin nel III capitolo:  "…le variazioni, per lievi che esse siano e da qualsiasi causa provengano, purché siano utili in qualche modo agli individui di una specie nei loro rapporti infinitamente complessi con gli altri organismi e con le condizioni fisiche della vita, tendono alla conservazione di questi individui, e a trasmettersi ai loro discendenti. Anche questi ultimi avranno così maggiori probabilità di sopravvivere, perché, fra i molti individui che nascono periodicamente da ogni specie, soltanto un piccolo numero può sopravvivere. Questo principio per il quale ogni lieve variazione, se utile, si mantiene, è stato da me denominato selezione naturale, per indicare la sua analogia con la selezione operata dall’uomo. Ma l’espressione sopravvivenza del più adatto, spesso usata da Herbert Spencer, è più idonea, e talvolta ugualmente conveniente." E subito dopo Darwin ci invita a considerare la selezione come un processo non che produce variabilità, ma che "comporta soltanto la conservazione delle variazioni non appena compaiano e siano vantaggiose all’individuo nelle sue particolari condizioni di vita". Si può forse comprendere meglio questo fenomeno prendendo in considerazione il caso di una regione che subisca un cambiamento di clima: poiché abbiamo già visto come sono stretti e complessi i legami che esistono tra tutti gli abitanti di una determinata zona, ogni cambiamento nelle proporzioni numeriche dei suoi abitanti, influisce seriamente sulla maggior parte degli altri. Se questa regione fosse aperta nei suoi confini, l’immigrazione di nuove forme turberebbe ulteriormente le relazioni degli abitanti originari del luogo. Ma se al contrario fosse isolata, come nel caso di un paese in parte circondato da barriere, vi sarebbero dei nuovi posti che potrebbero essere occupati se alcuni tra gli abitanti originari fossero lievemente modificati (e che nel caso di una regione aperta sarebbero occupati da abitanti estranei). Così facendo, ogni lieve modificazione favorevole all’individuo, tende a conservarsi per meglio adattarlo alle sue diverse condizioni di vita e la selezione naturale "ha libero campo per la sua opera di perfezionamento". Alla variazione, che per Darwin sorge spontanea, subentra l’azione dell’ambiente, un’azione di selezione che agisce sulle varianti, formatesi occasionalmente, isolando i gruppi di individui con varianti utili e facendo scomparire quelli che ne sono privi. L’isolamento geografico, in questo caso, è molto importante perché dà alle nuove varietà il tempo di migliorarsi con un ritmo abbastanza lento. Se tuttavia l’aria isolata è piccola e quindi il numero totale dei suoi abitanti è limitato, diminuendo la probabilità che compaiano variazioni favorevoli, diminuisce anche la produzione di nuove specie mediante la selezione naturale. Sebbene Darwin riconoscesse la grande importanza dell’isolamento nella produzione di nuove specie, egli sosteneva che ancora più importante a questo scopo fosse l’ampiezza di una regione: un’area estesa, infatti, oltre a fornire maggiori possibilità di variazioni favorevoli grazie al gran numero di individui che vi abitano, offre anche condizioni di vita più complesse per via delle varie e numerose specie che vi hanno luogo e se una di queste specie col tempo si migliora, allora anche le altre devono migliorare per non essere distrutte. Infatti se le forme favorite aumentano di numero, generalmente, quelle meno favorite diminuiscono diventando più rare: ma se una specie è rara vuol dire che può modificarsi e migliorare non rapidamente e che quindi sarà sconfitta nella lotta per la vita dai discendenti a loro volta modificati e migliorati dalla selezione naturale. Darwin parla anche di divergenza dei caratteri sostenendo che "quanto più i discendenti di una qualsiasi specie si differenziano per struttura, costituzione e abitudini, tanto meglio saranno in grado di occupare nell’economia della natura numerosi posti molto diversi, e così saranno in grado di aumentare di numero". In questo modo le piccole differenze che distinguono le varietà della stessa specie tendono ad aumentare e quando le varietà stesse sono diventate ben distinte l’una dall’altra, possono assumere la nuova denominazione di "specie".

In molti animali la selezione naturale è stata "aiutata", secondo Darwin dalla selezione sessuale, un particolare tipo di selezione che dipende non dalla lotta per l’esistenza contro altri esseri viventi, ma dalla lotta degli individui di un sesso per il possesso dell’altro. In questa lotta la vittoria è legata sia al vigore del maschio, sia al fatto di possedere alcune "armi speciali", come le corna per il cervo; la selezione sessuale assicura ai maschi più vigorosi e più adatti al posto che è stato assegnato loro nella scala della natura un maggior numero di discendenti. Se maschi e femmine, simili per abitudini di vita, presentano delle differenze nel colore, negli ornamenti, etc. si può allora presumere che tali differenze siano dovute principalmente alla selezione sessuale, che ha favorito quei maschi che presentavano un qualche vantaggio sugli altri maschi, trasmettendo ai lori discendenti di sesso maschile le "armi vincenti".    

La selezione naturale è la sola teoria conosciuta in grado di giustificare in modo scientifico l'esistenza in natura degli adattamenti. Questo, tuttavia, non significa che la selezione naturale sia la forza che guida tutta l'evoluzione, perché non tutti i cambiamenti evolutivi sono necessariamente adattativi. A livello molecolare, in particolare, la maggior parte delle mutazioni che avvengono è silente, cioè non produce effetti visibili o comunque riscontrabili nell'organismo. Le mutazioni neutre equivalgono, ad esempio, al cambiamento in un testo di un carattere tipografico: il testo ha un aspetto diverso, ma il significato delle frasi scritte non cambia. Benché in passato questa teoria sia stata considerata erroneamente antidarwiniana, essa in realtà sostiene soltanto che la selezione naturale, con la sua azione sull'effetto di un gene piuttosto che non direttamente sul gene stesso, agisce solo su quella bassa percentuale di mutazioni genetiche non neutrali, in grado di produrre alterazioni.