为什么生物能够那样巧妙地适应它们所处的环境？加拉粕戈斯群岛上的海龟能够在干燥缺水的地区生存，啄木鸟和雨蛙可以攀缘树木，一粒种子能够借助小钩或者茸毛而传播出去……难道这些都是上帝设计的吗？如果不是万能的上帝的安排，那又是什么原因呢？
这些复杂而深奥的问题困扰着他，看书的时候常常被打断思路，躺在床上又难以入睡。他决心揭开这个“秘密中的秘密”，把注意力集中到生物进化的研究工作中来。
所谓“遵循赖尔在地质学方面的范例”主要是按照赖尔在《地质学原理》中运用的“将今论古”的方法，来解释物种起源和变化的原因。赖尔是用现在起作用的因素来说明地球表面过去的变化，绝不和创世论相混淆。再通俗些说，就是今天看得到的自然界力量，来说明地球在漫长的历史长河中变迁的原因，从而在科学史上写下了光辉的一页。
赖尔这种科学方法促使达尔文想到现在物种是怎样变化的？家养动物和栽培植物中品种繁多，琳琅满目，而且还在不断地增加，它们是怎样形成的？他决定面向现实，面向实践。他首先选择了家养动物和栽培植物这条生产实践的道路，去探索奥秘。1837年7月，他开始写第一本关于物种起源的笔记，搜集动植物在家养条件下所发生的一切变异事实，认真总结劳动人民和育种家们培育新品种的经验。
达尔文废寝忘食地进行了十五个月的系统调查，经常和育种家、园艺家交谈。通信，或者向他们发去调查表，从他们那儿搜集各种家养动物和栽培植物的变异材料和培育方法。他还亲自参加实践，认真考查和研究小麦、玉米等农作物的选育过程、动手搞移植实验，仔细地分析比较鸡、鸭、鹅、牛、羊、猪、狗、猫等家禽家畜各个品种之间的差异。通过调查研究人民群众创造出来的这些奇迹，使他清楚地认识到，这些优良品种都是“培育者可惊的技巧和坚持不懈的精神”所留下的“永久纪念碑”。
后来他着重研究各种家鸽品种之间的差异和起源问题，参加了伦敦两个养鸽俱乐部，饲养各种品种的家鸽，甚至设法从美洲、波斯和印度购买当地的鸽子标本，还有人从中国的福州和厦门给他寄去鸽子标本和资料。达尔文把各种家鸽的品种和野生岩鸽进行比较，研究它们在外部形态和骨胳构造等方面的差异和共同特征，结果证明所有家鸽品种虽然差异很大，其中有二十个品种从外形上看简直就像不同种的鸟类一样，但是它们都起源于共同的祖先——野生岩鸽。
各种家鸽都起源于同一种野生岩鸽，为什么它们之间的差异会这样大呢？
达尔文认为，这都是人工选择的结果。岩鸽从野生到家养，生活条件发生了很大变化，由于在不同地区放养，可能会发生不同的变异。有的嚎囊大些，有的尾羽多些，有的鼻子高些，有的腿长些，人们根据不同的爱好，选择符合自己需要的变异个体来饲养。比如：有的人喜欢嚎囊大的个体，就选择那些嗉囊比较大的鸽子放在一起饲养，并且不让它们和嚎囊小的鸽子交配。这样一代一代地向嚎囊大的方向选择下去，终于培育出嗉囊像皮球一样大的球胸鸽来。同样，扇尾鸽、大鼻抱、凤头鸽、大毛脚等品种，都是根据同样的原理选择、培育出来的。
在人民群众选育良种和他自己亲身实践的基础上，达尔文根据人工选择的作用在同种动植物中所造成的区别，常常比那些公认为异种动植物的区别还要大，终于得出了人工选择的理论。物种在人工干预下是能够改变的，具有明显不同特征的品种可以起源于共同的祖先。
他根据赖尔的方法进行科学研究，赖尔那个闪着智慧之光的方法果然向他的研究工作投射了光明，使他的思想豁然开朗起来。原来家养动物和栽培植物的各种优良品种并不是上帝为了恩赐人类而分别创造出来的，它们是人民群众经过世世代代人工选择的结果。这种人工选择的作用，说明了物种在人为条件下能够发生进化，具有明显不同特征的品种可以起源于共同的祖先，在家养动物和栽培植物的进化过程中，人起着主导作用。
“可是，在自然条件下又是什么力量在起选择作用呢？”达尔文自言自语地说，“自然界的生物并没有人在那里年复一年地进行选择，那么新的物种又是怎样形成的呢？”
顿时，他在环球考察期间发现的生物由于生活条件变化而引起的数量增减或死亡的现象，又纷纭地出现在他的眼前。有些物种在连续几个生活条件适宜的季节，数量猛增起来，而在另外一些不利条件下，数量就急剧减少，甚至使整个物种绝迹。那么，物种的数量增减或者灭绝，究竟是受什么法则支配的呢？
他听任自己的各种想象随意驰骋。1838年10月的一天，他十分困倦地坐在椅子上，顺手从书架上拿起一本《人口论》来随便看看。这是英国神甫、资产阶级经济学家马尔萨斯（1766~1834）为统治阶级和殖民主义者服务的反动著作。马尔萨斯认为人口是按照几何级数（1、2、4、8、16……）增长的，而食物（主要是动植物）却是按照算术级数（1、2、3、4、5……）增加的，因此出现“人口过剩”的现象。在他看来，这种“人口过剩”的问题是一种自然的、永恒的规律，只有通过贫困、饥饿、疾病、独身生活，甚至战争，才能够得到解决。
马尔萨斯认为，资本主义制度下劳动人民遭受灾难、饥饿和贫穷的根源，不是资本主义制度本身和剥削阶级的残酷剥削，而是因为劳动人民人口太多。因此，剥削阶级过着花天酒地的生活，劳动人民受到贫穷和疾病折磨以致死亡，都是天经地义的事情。这种把一切社会弊病都归结为“人口过剩”的理论，是公开为资产阶级残酷剥削无产阶级和其他劳动阶层进行辩护的理论，直接掩盖了资本主义制度的罪恶，从根本上否定了阶级斗争、否定了一切社会革命的必要性。
达尔文只是为了消遣，没有也不可能深刻悟出这些道理来。他随意地翻了一页又一页。忽然下面几行字引起了他的注意：
自然，用最滥费最自由的手，在动物界、植物界撒布种子。但是育成这种生命种子所必要的场所和营养，它却给得比较吝啬。这地上含有的生命的芽，如果能够有充分的食物、充分的场所供它繁殖，几千年以后就会充塞几百万个世界了。但是自然法则的必然性将把这种生物限制在一定的界限里。植物的种类和动物的种类完全处在这种限制的大法则之下……
达尔文只怕自己没有看清楚，又认真地看了一遍。虽然马尔萨斯在这里并没有作出任何考证，但是达尔文自己长期观察所积累的事实却和这几行字十分吻合，于是他在书里继续寻找类似的内容。他又想起自己曾经写到过的，关于巴姆巴斯草原地区的动物由于干旱而大批死亡的那些事实。
他翻开《贝格尔舰航行日记》的底稿，上面记着：
在1827年到1830年期间，因为雨下得非常少，溪水干涸见底，整个地区看来很像尘土飞扬的乡村大道。这种情形在布宜诺斯艾利斯一省的北部和圣非的南部一带特别显著，大批飞鸟、野兽、牛和马都由于缺少食物和水而死亡了。
他又想到几个月以前，自己曾经在日记里写过的一段话：
至于说到死亡，我们很容易看到，鸵鸟的变种由于不适应恶劣的条件而灭亡，相反，它们处在良好的条件下就会大量地繁殖起来。根据上述情况，可以得出这样的结论，生物在有限的土地上繁殖，在变化着的条件下发生经常性的变异，由于对这些条件的适应而得到发展。可见，物种的灭亡是对条件不适应的结果。
达尔文长期以来百思不解的问题——自然界究竟是什么力量在起选择作用，猛一下省悟了。他说：
1838年10月，就是我开始作系统调查的15个月以后，我偶然阅读马尔萨斯《人口论》来作为消遣，并且由于长期不断地观察动物和植物的习性，我具备了很好的条件去体会到处进行着的生存斗争，所以我立刻觉得在这样的环境条件下，有利的变异将被保存下来，不利的变异将被消灭。它的结果大概就是新种的形成。我终于得到了一个可以用来指导工作的理论。
达尔文眼前立刻展现出一幅到处都在进行生存斗争的画面。在自然界里，植物结出了大量的种子，昆虫繁殖了大量的幼虫，而相当一部分种子和幼虫都被鸟类吃掉了。可是，鸟类的卵和幼雏又常常被鸷鸟或猛兽所残食。两只犬类动物在饥饿的时候，为了争夺食物而进行拼死的搏斗。生长在沙漠边上的植物，它们为了抗旱也在进行生存斗争。一株植物一年结出一千颗种子，而平均只有一颗种子可以长成。更确切地说，植物的种子是在和已经铺满地面的同种或者别种植物斗争中成长的。
达尔文认为，在复杂的生存斗争中，对生存有利的变异，就会使物种有比较好的生存和发展的机会，而对生存有害的变异，却会使物种难于生存，甚至灭绝。为了和“人工选择”相对应，他把这种对有害变异个体的淘汰和对有利变异个体的保存，称做“自然选择”或者“适者生存”。自然选择每日每时地在自然界检查着生物最微小的变异，它像人工选择一样在起着汰劣留良的作用。后来他说：
如果有利于任何生物的变异一旦发生，具有这类性状为个体就会在生存斗争中得到最好的保存机会。根据遗传原理，它们将会产生具有相似性质的后代。这项保存原理或者适者生存，我称它做“自然选择”。它使每个生物对于有机的和无机的生活条件的关系得到改进。因此，在许多场合，这种结果必定是生物体制的一种进步。
可是，达尔文在把自己多年观察结果进行理论概括的时候，没有考虑到马尔萨斯《人口论》是抄袭别人的资料拼凑成的。正像马克思（1818～1883）所说的：“他这本书最初的版本不过是对笛神福、詹姆斯·斯图亚特爵士、唐森、富兰克林、华莱士等人的小学生般肤浅的和牧师般拿腔做调的剽窃，其中没有一个他独自思考出来的命题。比如富兰克林（1706~1790）曾经看到，植物和动物的再生能力是无限的，只是由于食物的跟制，才使它们的繁殖受到制约。汤生德（唐森）也看到，当山羊运送到某个岛上的时候，由于有了丰富的牧场，繁殖很快，后来山羊越来越多，牧场不够了，尽管山羊还在继续繁殖，可是它们当中的弱者就死亡了，只有强者能够生存下来。这些都被马尔萨斯窃做例证。达尔文没有认识到，自己是从富兰克林和汤生德等人的思想得到启发的。另外，达尔文也没有想到，他在动物界和植物界发现了几何级数的增长，正好驳斥了马尔萨斯关于人类食物（主要是动物和植物）只能够按照算术级数增长的说法。因此，达尔文在总结生物进化规律的时候，还天真地说自已是在读了马尔萨斯《人口论》以后，结合自己的实践，才得到了一个可以作为科学研究根据的学说。他后来甚至说，全世界一切生物的生存斗争现象，是生物按照几何级数繁殖所造成的必然结果，这是马尔萨斯的学说应用到整个动物界和植物界。因为每种生物产生的个数，远远地超过了它们所能生存的个数，所以常引起生存斗争。”
达尔文这个失误使后人产生了误解，甚至利用它来反对进化论。
《物种起源》问世
1839年1月，达尔文和他的小表姐爱玛结婚了。他们共同生活了43年，生了10个儿女，家庭生活幸福美满。但是，由于他们是近亲，对生育的儿女的智力有很大影响。
结婚以后，达尔文继续工作，他开始写“物种起源”的笔记，并开始搜集动植物在家养情况下所发生的一切变异事实。他发现各种家养动植物的优良品种，不是上帝造出来的，而是人民群众经过世世代代人工选择的结果，说明在人工选择下，物种能够发生变异。
接着，他又研究了自然条件下的变异，那是“适者生存”、“优胜劣汰”的结果。
从1842年开始，达尔文正式写《物种起源》的提纲，写了《1842年概要》，后来又写了《1844年概要》，其中列举了很多事实来证明物种是变异的，而他的生物进化论的精华就是自然选择。
由于过度劳累，严重的心悸、头晕，使达尔文不能坚持工作了。
为了达尔文的健康，爱玛陪达尔文到乡下去住了一个月。经过一个月的休养，达尔文恢复了健康。他该继续工作了。
然而，达尔文并未逃脱疾病的折磨，他的后半生都是在疾病的困扰中度过的。可他并未因此停止工作。幸运的是，达尔文有一位温柔体贴的妻子，时刻在照料着他的健康。
达尔文花了近10年的心血准备《物种理论概要》。
1854年9月起，达尔文开始花全部精力研究物种起源问题，并进行了一些必要的观察和实验。他从爱好养鸽的人培养出不同的品种的事实受到启发，对养鸽子发生了浓厚的兴趣。在给表兄福克司的信中请求他帮助观察一下雏鸽的尾羽在什么年龄才充分长到可以计数的程度，以证明他物种演变的观点。福克司十分支持达尔文所进行的工作，给他送来了一些刚出生一个星期的小鸽和供研究用的老鸽。