Darwins Aufgabe als Naturforscher an Bord der Beagle ermöglichte ihm, die unterschiedlichen geologischen Formationen der verschiedenen Kontinente und Inseln sowie eine Vielzahl lebender Organismen und Fossilien zu untersuchen.
Die Route der Beagle sah folgendermaßen aus:
Damals waren die meisten Geologen Anhänger der Katastrophentheorie, der zufolge die Entwicklung im Laufe der Erdgeschichte, beispielsweise die Entstehung neuer Tier- und Pflanzenarten, durch Naturkatastrophen und anschließende Neuschöpfungen erklärt wurde. Die Vertreter dieser Theorie waren von dem biblischen Bericht über die Sintflut stark beeinflusst und hielten sie für die jüngste derartige Katastrophe, die alles Leben vernichtet hatte, mit Ausnahme der Lebensformen, die Noah mit in die Arche genommen hatte. Frühere Formen seien nur als Fossilien überliefert. Sie gingen davon aus, dass alle Arten einzeln geschaffen und für alle Zeit unveränderlich waren.
Der englische Geologe Sir Charles Lyell widerlegte in seinem zweibändigen Werk Principles of Geology (1830-1833) die bis dahin akzeptierte Katastrophentheorie – jedoch nicht die Auffassung von der Unveränderlichkeit der Arten.
Lyell war der Begründer des Aktualismus, nach der Kräfte und Erscheinungen der Vorzeit mit heutigen Beobachtungen übereinstimmen. Er vertrat die Ansicht, dass sich die Erdoberfläche infolge natürlicher Kräfte, die über lange Zeit in derselben Weise auf sie einwirken, ständig verändert.
An Bord der Beagle stellte Darwin fest, dass viele seiner eigenen Beobachtungen mit Lyells aktualistischer Auffassung übereinstimmten. Andererseits zweifelte er aufgrund seiner Beobachtungen an fossilen und lebenden Pflanzen und Tieren Lyells Auffassung an, dass jede Art einzeln geschaffen sei. Er stellte beispielsweise fest, dass Fossilien ausgestorbener Arten Ähnlichkeiten mit lebenden Arten desselben geographischen Bereichs aufwiesen.
Vor allem der Aufenthalt auf den Galápagos-Inseln vor der Küste Ecuadors führte ihn zum Studium über die Entstehung von Arten. Dort beobachtete er, dass es auf jeder Insel eine eigene Art von Schildkröten, Spottdrosseln und Darwinfinken gab; diese waren zwar eng verwandt, unterschieden sich jedoch von Insel zu Insel in ihrem Körperbau und ihren Nahrungsspezialisierungen. Diese beiden Beobachtungen führten Darwin zu der Frage, ob verschiedene, einander ähnliche Arten aus einer gemeinsamen Stammform hervorgegangen sein könnten.
Die Theorie der natürlichen Selektion
Nach seiner Heimkehr (1836) notierte Darwin seine Gedanken zur Veränderlichkeit und Entstehung der Arten in seinen Notebooks on the Transmutation of Species. Neben den eigenen Beobachtungen boten die Lektüre von Lyells Prinzipien der Geologie und das Buch Versuch über das Bevölkerungsgesetz (1798) des britischen Wirtschaftswissenschaftlers Thomas Robert Malthus wichtige Anregungen für seine Werke. Malthus vertrat die Theorie, dass die Größe der Bevölkerung durch die Menge an verfügbaren Nahrungsmitteln begrenzt und bestimmt wird.
1838 hatte Darwin ein erstes Manuskript zur Evolutionstheorie und natürlichen Selektion in Umrissen ausgearbeitet. Im Lauf der nächsten zwanzig Jahre arbeitete er dieses Manuskript weiter aus und veröffentlichte andere wissenschaftliche Werke. 1839 heiratete er seine Cousine Emma Wedgwood und bezog seinen Landsitz Down House in Kent. Dort bekamen er und seine Frau zehn Kinder, von denen drei im Kindesalter starben. 1858 trug Darwin eine erste Fassung seiner Evolutionstheorie vor.
Dies geschah gleichzeitig mit dem jungen Naturforscher Alfred Russel Wallace, der ähnliche Gedanken zur natürlichen Selektion unabhängig von Darwin entwickelte. Die erste Veröffentlichung seines Buches On the Origin of Species by Means of Natural Selection (Über die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl) erschien 1859. Dieses Buch war am Tag seines Erscheinens ausverkauft; es folgten sechs Auflagen. Darwins Theorie der Evolution durch natürliche Selektion besagt im Wesentlichen, dass die Individuen einer Population alle verschieden voneinander sind. Von diesen sind bestimmte Individuen an die herrschenden Umweltbedingungen besser angepasst als andere und haben damit größere Überlebens- und Fortpflanzungswahrscheinlichkeiten. Die genetische Beschaffenheit dieser besser angepassten Individuen wird durch Vererbung an folgende Generationen weitergegeben. Dieser schrittweise (graduelle) und kontinuierliche Prozess bewirkt die Evolution der Arten.
Nach dem Erscheinen der Entstehung der Arten wurde Darwins Theorie von einigen Wissenschaftlern kritisiert. Sie forderten Beweise für seine Theorie und eine Erklärung dafür, wie die Information an die nachfolgenden Generationen weitergegeben wird. Dieser wissenschaftliche Einwand konnte erst mit dem Entstehen der modernen Genetik zu Beginn des 20.Jahrhunderts entkräftet werden. Darwins Ideen wurden noch etwa fünfzig bis achtzig Jahre angezweifelt. Die bekanntesten Angriffe gegen Darwins Gedanken kamen jedoch nicht von Wissenschaftlern, sondern von religiös motivierten Gegnern. Der Gedanke, dass Lebewesen sich im Zuge natürlicher Prozesse entwickeln, widersprach der Vorstellung von der besonderen Schöpfung des Menschen und stellte die Menschen scheinbar auf eine Stufe mit den Tieren; beide Gedanken standen im Widerspruch zu biblischen Berichten.
In seinen späteren Büchern – darunter The Variation of Animals and Plants Under Domestication (1868, Das Variiren der Thiere und Pflanzen im Zustande der Domestication), The Descent of Man (1871, Die Abstammung des Menschen und die geschlechtliche Zuchtwahl) und The Expression of the Emotions in Animals and Man (1872, Der Ausdruck der Gemüthsbewegungen bei den Menschen und den Thieren) – ging er im Detail auf Probleme ein, die er im Ursprung der Arten nur in kurzen Abschnitten dargelegt hatte. Die Bedeutung seiner Arbeit wurde von seinen Zeitgenossen gewürdigt; Darwin wurde 1939 in die Royal Society (die britische Akademie der Wissenschaften) und 1878 in die französische Akademie der Wissenschaften aufgenommen. Nach seinem Tod (am 19. April 1882) wurde Darwin in der Westminster-Abtei beigesetzt.
