在博托福戈住了两个半月的期间，达尔文研究了里约四郊的自然界。他的房子位于海拔在680多米以上的科尔科瓦多山麓上，科尔科瓦多山呈现陡峭的锥体形，通常在其半山腰处总是白云缭绕。达尔文白天考察和收集标本，或整理收集来的东西。傍晚，青蛙、蝉和蟋蟀在不停地演奏着协奏曲，达尔文细听着这些声音，或者观察某个萤火虫的飞舞，收集萤火虫的幼虫或对萤火虫进行实验。晚上，他就给自己的许多朋友写信，或者阅读科学考察的著作。
在热带地区，传染病一般很多。有一种“热病”，死亡率相当高，欧洲人从来没有见过，谁患上这个病，三四天内就要死去。不到半年，水兵中已经有三人身亡了。这是达尔文在热带所遇到的许多次可能发生的意外中的一次。
之后，“贝格尔”号在其他军舰鸣放的友好送别的礼炮声中，终于离开了到处都是处女林的热带地区，接着向南方、向气候温和的地带、向覆盖着草本植物的海岸驶去。这次航行，惊涛骇浪和汹涌澎湃的大海再次使达尔文遭受到晕船的痛苦。好在他们能有时观赏逆戟鲸，有时观赏口齿锋利的抹香鲸，有时观赏那被人们称为“开普小鸽子”的小海燕。
十几天之后，“贝格尔”号驶进一个叫做里约德拉普拉塔的小海湾，这个海湾的水就像小河里的水那样平静，但是海水又红又脏。
7月26日，“贝格尔”号舰停泊在蒙得维的亚海湾。刚一靠岸，达尔文赶紧在蒙得维的亚上岸，他已经迫不及待地想去了解当地的情况。他从城旁的一座小山顶上一眼望去，只见那一望无际的绿色草原上，放牧着一群群牛羊。达尔文向那些从远处就能望见的辽阔的沙漠走去。
他问当地的高楚人：“这里有什么特殊的动物和植物吗？”
高楚人想了一想说：“这里的鸵鸟很奇怪，总是许多雌鸟集体下蛋，叫雄鸟去孵蛋，然后这些雌鸟再到别处去集体下蛋。”
于是，达尔文和他的助手走进无边无际的沙漠，花了好几天的时间去观看鸵鸟下蛋的情况。达尔文经过仔细的观察，终于弄清楚了，他高兴地对助手说：“你看，雌鸵鸟三天下一个蛋，一次连续下十几个蛋，总共要一个多月。这里天热，隔一个多月，早下的蛋不是要臭掉吗？所以它们就集体下蛋，叫雄鸟去孵。”得知这样的现象之后，达尔文十分兴奋，因为，达尔文自己知道，他在这次考察过程中了解到了他以前并不知道的知识。
时隔几日之后，达尔文到蒙得维的亚远郊收集标本：在那里，他打死了一只水豚，这只巨大的啮齿动物重45千克，而且他还猎获了一些美丽的蛇和蜥蜴，收集了他所喜爱的甲虫。
达尔文及时地把他在巴西收集到的搜集品包装好，派人送到船上去。他把其中的一部分寄到了什鲁斯伯里的家里去，并把其中最重要的搜集品寄给了剑桥的亨斯洛。
九天后，“贝格尔”号离开了拉普拉塔，沿着海岸向南驶去，这样以便对海岸进行观察。可是进行勘察的好天气并没有持续多久，很快就变成了狂风暴雨的天气。大约一个星期，由于这种天气一直持续不止，所以无法进行测量工作，达尔文不得不返回蒙得维的亚。
9月22日，达尔文一行在海湾周围航行。他们来到一个叫做彭塔阿尔塔的地方。这个地方虽然风景不太美丽，但天气十分晴朗温和，海水也很平静。达尔文在这里发现了几个含有贝壳化石和骨化石的山岩。这些不寻常的化石引起了达尔文的注意。待他们刚刚返回到“贝格尔”号，天公不作美，开始下雨，刮起了暴风。第二天，达尔文又设法来到离“贝格尔”号16千米远的彭塔阿尔塔，使他感到特别高兴的是，他在含石灰质少的岩石中挖掘出了一个大型动物的头骨。为了取出这个头骨，他花了差不多三个小时的时间。他发现这是一个与犀牛很相似的动物颅骨，这使得达尔文十分惊喜，看来这是一个被列入古代有蹄类的箭齿兽的头骨。在天黑三个小时之后，达尔文才把它弄到舰上。第三天，达尔文在原来的地方又发现了几个化石。遗憾的是，天气连续十天都很糟糕，达尔文被迫停止手里的考察工作。
10月8日，刚吃过早饭，达尔文又兴致勃勃地出发去彭塔阿尔塔，到他曾经挖掘过遗骸的地方去考察。这次他挖出了一个巨大的颌骨，并根据其牙齿确定为大懒兽。使他感到惊讶的是，树懒化石是在现在有树懒生存的那个洲发现的，而颌骨则是从有现代贝壳的土层里挖掘出来的；所有的这些发掘的化石都很充分地证明了赖尔的观点是正确的，而灾变论者的观点则是错误的。达尔文怀着兴奋的心情给亨斯洛写了一封信，信中他对这次的收集品，尤其是化石谈论了很多。并且，达尔文把这些非常难得的搜集品寄给了亨斯洛。
10月28日，“贝格尔”号带着几只小帆船，向火地岛开去，以便把几名火地岛人送回故乡。这次航程的大部分时间都是风平浪静，天气很好，只不过刮了几次暴风和逆风，起了几次雾。暴风影响了达尔文的胃口，而逆风和雾则延缓了“贝格尔”号的航程。
“贝格尔”号经过了麦哲伦海峡入口处，继续向南行进。原先单调而荒凉的海岸现在却截然不同了。在海岸的高地上，有许多火地岛人烧起了烟火信号。平坦低岸地带的悬崖峭壁上，长满了灌木丛和树木，而后面则突兀着高大的雪山。经过考察可以看出，这里原本是平坦的地带，后来变换成了覆盖着深棕色森林的高山。
12月17日，“贝格尔”号从东面绕过了东火地岛的顶端——圣迭戈角，后来停泊在一个有海湾的地方。火地岛是一块多山的土地，那里的悬崖上长满了茂密的森林，森林地带高达300～500米。积雪地带约有1000米。在山毛榉构成的阴暗森林里漫步几乎是不可能的，因为森林里的地上堆满了大量腐烂的小叶植物，脚一踏上去就会陷下去。层峦叠嶂的群山给人一种神秘的巍峨感。这里的气候几乎是不断地刮风、下雨、降冰雹、飘雪花，甚至连空气也好像要比其他地方的空气更加阴沉似的。这些高山上的唯一居住者是原驼，它那尖锐的嘶叫声常常打破这里的寂静。
火地岛人的住房就是窝棚，几根树枝插进泥土，上面马马虎虎覆盖几束干草和芦苇，连兔子洞都不如，他们的生活还处在低级的发展阶段。他们蜷曲着身子睡在光地上。男人们“穿的”是几块小兽皮，刚刚可以遮盖住背部。这些兽皮用穿过胸部的绳子系着，并且随风飘动。在小船上打鱼的那些人，不管下雨还是下雪，全都赤身裸体。雪花落在抱着吃奶婴儿的赤身妇女身上就融化了。所有的人全都蓬头散发，声音嘈杂不清。他们的主要食物是妇女们潜入水里在水底捕捞的贝壳，或者是钓到的鱼。他们还采集没有滋味的野果和蘑菇。如果他们找到一具鲸鱼的尸体或打死一头海豹，那么这就可以算是他们的节日了。狗常常给他们捕捉水獭。所以在饥饿时，他们可以把老年妇女杀死，却从不把狗打死。
当“贝格尔”号驶过的时候，他们坐在一座悬崖之巅上，周围是山毛榉构成的阴暗森林。当他们用双手在自己的头部周围野蛮地转动的时候，他们的长发飘动着，他们好像是另一个世界中激动不安的精灵。他们的样子既可怜、柔顺，又恐惧、惊慌。他们发出的声音含糊不清，喉音很重。不过，正如费茨罗伊的试验所表明的那样，火地岛人对于文明是能够接受的，而且表现出很大的才能。
达尔文还在火地岛上发现了两种奇特的蜥蜴。其中一种身长好几米、脚上长着能在水中游的蹼的蜥蜴可以游到离岸好几百米远的地方。达尔文把这种蜥蜴的胃剖开后，发现它们吃的全是海藻。另一种蜥蜴正好相反，它们的脚上没有蹼，不会游泳，只能在陆地上生活，并且跑得相当得快。这两种蜥蜴虽然共同生活在一片天空下，但有着不同的生活习性。
有一次，达尔文到了一个群岛。他发现这里生活着大量的海龟，但有意思的是，每个小岛的海龟又各有不同。经过观察，达尔文认为它们与美洲大陆海龟可能是近亲。
达尔文还在这个群岛上看到不同种类的地雀。它们的体形很相似，只是有的嘴又宽又扁，有的嘴又细又长，真是太有趣了！“是什么原因使它们的嘴各不相同呢？”达尔文在思索着这个问题的答案。
经过长期的考察与研究，达尔文总结出了一系列的看法，他认为：岛上的动物和美洲大陆的动物本来就是同类，后来因为种种特殊原因，它们被迫离开了大陆，迁徙到了这片岛上。它们的生活习惯和面貌都发生了很大的变化，以适应新的环境，这就是物种的变异；但它们仍然保存了一部分祖先的特性，这就是物种的遗传。
达尔文十分兴奋地把这个想法告诉了船长，船长听了不但没有对达尔文的这一想法表示任何赞许，反而很不高兴地说：“任何东西都是上帝创造的，上帝创造的东西是不会变化的！你难道敢怀疑上帝吗？”虽然达尔文听了这样的言语很失望，但他还是十分坚定地表示：“我更相信真理……”