达尔文在用进化论说明所有生物的历史发展时，对当时的物理学和天文学发展状况也进行了对比，并预见到他的理论肯定会遇到激烈的反对。为了弄清进化的原因，达尔文认为必须研究生物的适应性以及生物的性质、构成和本能。如果这个设想成功，他想在他的面前将会展现出科学进一步发展的极其广阔的前景，它将导致对本能、遗传、智力遗传以及整个形而上学的研究，它将导致对杂交、再生、变化原因的详细考察，以便了解人类从何处起源和向何处发展，什么情况有助于杂交，什么情况妨碍杂交--能够导致变化规律的发现，而这种规律会成为研究的主要对象，并将指导人类的认识。
1838年上半年，在剑桥亨斯罗那里，达尔文认识了教阿拉伯语和犹太语的李教授，并拜访了地质学家塞奇威克。
休息之余，达尔文决定到苏格兰旅行。他从格拉斯哥出发，到了英威涅斯山谷，住了8天，研究类似奇洛埃河谷的地质学上的阶地。相对于伦敦的恶劣天气，达尔文对苏格兰的大自然景色感到特别愉快，对美丽的晚霞非常欣赏。
夏天，达尔文回到了伦敦，写了一篇关于这种阶地的论文，发表在伦敦皇家学会的《会报》上。这篇文章的结论是错误的，达尔文后来一直为此文羞愧。他使用排他的方法得出惟一的理论解释--海的活动。事实上，这个阶地是因冰川块构成的堤坝而形成的。
下半年，达尔文开始写关于珊瑚礁一书。他的工作方式仿效莱尔的作法：分两次工作。第一次，连续工作二小时，然后去散步办事。第二次，散步或办事完后又埋头工作，完后去吃午饭。
1838年10月，达尔文阅读了马尔萨斯的《人口论》，并且是在他充分准备接受生存斗争这一理论的时候……以前，他已经有过“适者生存”的这一想法，现在他“终于得到了一个可以据以工作的理论”。达尔文感到惊奇的是，在某些情况下，有利的变异力求被保存下来，而不利的变异终将消灭，其结果可能就是新物种的形成。
马尔萨斯在《人口论》中指出，人是按几何级数增加的，而人的生活资料则是按算术级数增加的，达尔文把这种关于人按很快的级数增长的思想应用于动物和植物，但他并没有注意到，他实际上驳斥了马尔萨斯，因为马尔萨斯的理论以人为前提而非动植物。
二、结婚
达尔文旅行回来，他消瘦得近乎憔悴，他的脸被热带太阳晒成深棕色，前面的头发有些稀疏而且有些秃顶，高高隆起的前额更加明显，鼻子和嘴之间出现深深的皱纹，眼睛里也失去往日的神采，使他看上去比27岁的人要苍老得多。
这种变化对埃玛·韦奇伍德产生了很大的影响。在她和达尔文之间，虽然有感情的维系，但有一个天然的障碍：她几乎比他整整大一岁。传统的习俗认为，女人不应该嫁给比自己小的男人。但现在，这个障碍已不存在了，达尔文看起来无论从哪方面都要比她成熟和老练得多。埃玛放心了。
如果埃玛天真地认为，达尔文一回到家就会向她求婚，那她真是会大失所望的。在梅庄的日子，他每天享受打猎的闲暇和乐趣，对埃玛与家人期待他向埃玛表明的意向只字不提，这让埃玛十分痛苦：
“我不能理解他，我确实感到他爱我，而且我知道我也爱他，可他就是什么也不说，仍然把我当成他喜欢的姐姐来对待。”
实际上，达尔文愿意与埃玛为伴。他对她殷勤关怀，使她痛苦的心灵稍有些慰藉。他有时也在她的脸蛋上轻轻地亲吻一下，而且也已经开始拥抱她了，这说明他们之间的关系已非同寻常，已经有了某种“默契”。
达尔文迟迟不肯表露他的心迹，是因为他的思想一直处在科学事业和婚姻家庭的矛盾之中。他既向往婚姻，乐意有个情投意合的伴侣、幸福的家庭、可爱的孩子，可又怕这些事情浪费他宝贵的时光，使他不能专心从事研究工作。他矛盾地在笔记本上列了一张结婚和独身生活的利弊表，但仍然无法确定下来。
另外一个可能的原因是他的经济问题。他还没有一个有收入的稳定职业，他不能靠自己的父亲或是梅庄的嫁妆来养家糊口，可结婚后最现实的问题是经济负担会大大加重，这会让他喘不过气来。
当然，还有一件事情也可能是达尔文不结婚的原因，即为未来的性生活感到恐惧。多年后他与自己的一个儿子谈起青春期性的问题时承认了这一点，“那时我是一个年轻的傻瓜。当时我真的以为性行为是人类生活中最下流的事情，根本没有认识到爱情能够使它变得纯洁而美好”。
1838年他成为地质学会的秘书，有了固定而微薄的收入，达尔文很高兴，他有一种自食其力的感觉，再加上科学论文的报酬，他开始考虑婚姻的可能性了。
8月间，他衣着整齐地来到梅庄作短期访问，并向埃玛正式求婚。埃玛高兴极了。父亲和乔赛亚两家人欢天喜地。本来，他们对这桩婚事都没有抱多大希望了。乔赛亚喜出望外地写信给罗伯特·达尔文医生：“你我两家本来就有许多纽带，我相信，这一新的结合将会使我们的后代更加兴旺。”
1839年1月29日，就在达尔文差两个星期满30周岁的那一天，他和埃玛在梅庄教堂举行了婚礼。他们到威尔士度了一个短暂的蜜月后，达尔文便带着新娘一起回到伦敦。由于两位新人的父亲的慷慨资助，他们在上高尔街十二号租了一座漂亮的、有花园的房子，房子的内外都布置得极其雅致。
婚后的最初一段时间里，达尔文夫妇把更多的时间用于接待客人的来访，到最亲近的人和熟人朋友那里赴宴和回访。人们的访问可能使达尔文比他的妻子更加激动。
夫妇之间互敬互爱，过着幸福美满的生活。埃玛把每一分柔情都献给了丈夫，她从不干涉丈夫的工作。当达尔文由于疾病和神经抑郁变得暴躁易怒时，埃玛默默地忍受着。她和丈夫从未发生过严重的争执。
频繁的来客使埃玛应接不暇，可她总是从容不迫、有条不紊地招待着客人。谁也想不到，眼前这个时髦的、大方的少妇，不久前在梅庄时还是一个腼腆的姑娘。她为丈夫的朋友们举办的各种简朴而实惠的家宴，得到了许多客人的称赞。
埃玛在蜜月期间就怀孕了，同年12月27日她生下了第一个男孩威廉。孩子胖乎乎的很可爱，为家庭增加了不少欢乐，并且孩子成为达尔文研究人类表情问题的观察对象。从孩子出生的那天起，他就观察孩子的表情，还把有关东西记录下来。达尔文相信，在这样的早期，一些最复杂最细微的表情，也一定会有一个逐渐的和自然的起源。他对儿子的观察后来反映在他写的《论感觉的表现》一书中。父亲爱孩子的情感是如此的强烈，以致他本人都觉得有点意外和不可思议。
结婚一段时间以后，达尔文夫妇几乎放弃了社交活动，过着非常安静、深居简出的生活。
1841年3月2日，埃玛又生下一个女儿安妮，比威廉小15个月，这个讨人喜欢却娇弱多病的小可怜，一直是达尔文的掌上明珠。
埃玛保持了韦奇伍德家庭多子的传统。在15年中，她为达尔文生了4个女儿、6个儿子，其中有3个夭折。孩子们在智力上都有非凡的天赋，打消了人们对堂表兄妹通婚会有各种问题的顾虑。
从这以后，埃玛为这个未来的科学巨人和他的家庭贡献了一切。她温柔而又细心地照料着身体状况不佳的达尔文，在他后半生几乎形影不离地陪伴他每一天。正是埃玛把他从忧郁、狂躁不安中拯救出来，让达尔文过着安静、愉快的生活。
埃玛尽量调整自己的生活节奏，以适应达尔文的要求。她不干涉他的工作，只是在休息时同他呆在一起。她想尽办法减轻或消除他的烦恼，为他弹钢琴，给他读他喜欢的小说，或者陪他去散步。每逢达尔文生病时，她耐心地像一位慈祥的母亲。达尔文对她说：“埃玛，像你这样照顾我，使我觉得即使生病也是值得的。”她为他奉献了自己的所有，所以达尔文后来的一切成就，少不了埃玛的功劳。达尔文由衷地赞叹：“她是世界上最善良的妻子。她的价值比等于她体重的黄金还要宝贵！”
达尔文也对埃玛温存体贴，倍加爱护。他们的夫妻生活就像一幅美丽和谐的图画。
三、知识消化储备
达尔文继续他的事业。
他继续整理自己的地质论文，特别是《珊瑚岛》和《南美洲的巨漂砾和冰川》。他在地质学会作了《关于火山现象之间的联系》的报告；他研究《贝格尔号动物学》的鸟类部分，研究他搜集的鸟的生活方式和分布情况。
在资料收集的理论思考这个阶段，达尔文一直从事关于物种和变种的研究工作。他请求福克斯将那些杂交而生出来的鸽子、鸡或鸭，包括杂交的死去的非洲猫的骨骼给他寄来，让他进行研究。
1841年初，他的著作《珊瑚礁的构造和分布》出版了。
这本书在研究者看来有四大特点：
一、内容的广泛性：达尔文掌握了研究对象所有的详细资料；
二、高度的概括性：达尔文寻求并且找到了最能说明被考察现象的规律；
三、克服了总结时的各种困难：他研究并解决各种出现的困难，并予以解释，避免授他人反驳以口实；
四、全方位观察研究对象：达尔文从地质、地貌、动物等方面来研究，充分体现了他是一个广义上的博物学家。
《珊瑚礁的构造和分布》分为六章：
第一章：达尔文考察了环形岛、珊瑚岛。以基林岛为例，描写暗礁外缘的珊瑚，围成礁湖的珊瑚式的藻类地带，礁湖本身，下沉到礁湖底层的沉积物，靠吃淤泥和珊瑚的动物，暗礁和小岛屿的变化情况。
第二章：他谈了堡礁，宽阔的水道--礁湖把它们和陆地分割开来。他用若干例子说明堡礁的形状和结构极其近视环礁的形状和结构。