Este interés le impulsó a incorporarse, en calidad de naturalista de la expedición, al periplo alrededor del mundo del H.M.S. Beagle (1831-1836), al mando del capitán Robert Fitzroy, lo cual lo llevó a viajar por América del Sur, las islas del Pacífico, Australia, Nueva Zelanda y el sur de África.

Durante los viajes Charles Darwin acopió gran cantidad de materiales de todo tipo y realizó las detalladas observaciones que le permitieron, a su regreso al Reino Unido, enunciar la llamada teoría de la evolución, cuyos primeros esbozos comenzaron a tomar forma en 1837 y que tardaría más de dos décadas en ver la luz.

Aunque esta teoría le valió el reconocimiento universal, sus investigaciones le permitieron también confirmar la llamada teoría uniformista del geólogo escocés Charles Lyell (1749-1875), comprobar las relaciones existentes entre las rocas plutónicas y la lava volcánica y establecer las bases de la llamada teoría de la deformación. Así mismo, Charles Darwin formuló la teoría acerca de la formación de los arrecifes coralinos en vigor en la actualidad.

Entre sus diversas observaciones, tuvieron gran importancia los estudios efectuados en las islas Galápagos acerca de la gran diversidad de pinzones de aquellas latitudes, todos ellos perfectamente adaptados a diferentes nichos ecológicos. La combinación entre sus trabajos de campo y la lectura de una obra muy en boga por entonces, Ensayo sobre el principio de la población, de Malthus, le inspiró el desarrollo de la concepción básica de la teoría de la selección natural.

El fruto de sus trabajos, basados en métodos que han constituido auténticos modelos para la investigación científica posterior, lo plasmó, esencialmente, en su obra Sobre el origen de las especies, que se agotó el mismo día de su publicación (24 de noviembre de 1859) y fue traducida casi de inmediato a la mayoría de los idiomas cultos.

En dicha obra, Darwin propone, por un lado, que las especies no son inmutables, evolucionan con el tiempo y descienden unas de las otras y, por otro, que la principal causa de la evolución es la llamada selección natural, es decir, la supervivencia de los mejor adaptados, que, gracias a dicha adaptación, disponen de mayor cantidad de oportunidades para salir airosos en la lucha por la obtención de unos recursos limitados (alimentos, etc.), imprescindibles para su supervivencia.

La publicación de su obra principal le granjeó la animadversión de amplios sectores de la Iglesia Anglicana, opuestos a cuestionar la interpretación liberal de la Biblia, y suscitó innumerables polémicas acerca de la evolución del mono al hombre.

Darwin, que había reflexionado largamente respecto a la conveniencia o no de publicar sus trabajos, y que los dio a conocer, en colaboración con Wallace, impulsado por una comunicación que le daba noticia de hallazgos similares por otros investigadores, no participó directamente en las polémicas y dejó que fuera el biólogo británico Th. H. Huxley el encargado de asumir el peso de la defensa de su teoría de la evolución. A su muerte, Charles Darwin fue enterrado en Westminster, en el panteón de hombres ilustres del Reino Unido.

Obras:
El origen de las especies (On the Origin of Species by Means of Natural Selection, 1859)
La variación de los animales y de las plantas bajo la domesticación (The Variation of Animals and Plants under Domestication, 1868)
La descendencia humana y la selección sexual (The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex, 1871)
Los efectos de la fecundación directa y de la fecundación cruzada en el reino vegetal (The Effects of Cross- and Self-Fertilisation in the Vegetable Kingdom, 1876)
Las diferentes formas de flores en plantas de la misma especie (The Different Forms of Flowers on Plants of the Same Species, 1877).