达尔文讲述各种红门兰属传粉的器官后，又谈到其他兰花科的兰花。尽管这些花和他们的传粉器官都不太一样，但是达尔文相信它们都有一个相同的基础。罗伯特·布朗教授说，兰花属于单子叶植物，它们的花是由3个萼片、3个花瓣、分成两个圈的6个花药和3个雌蕊组成的。虽然经常起作用的只是外围中的一个花药和两个雌蕊，但是，如果通过花的横剖面图上的螺旋状导管的分布情况来判断，雌蕊中有一个蕊喙，外面的花药中有两个，同花冠下面的花瓣一起组成唇瓣，由内圈中的上面两个发育不全的花药构成柱头喙等等。在这里，我们没有必要去仔细研究花的细节，只要从达尔文列举出来的示意图中我们就可以看到，兰花的花是由他所指出的15种器官组成的，即使这些器官发生了很大的变化。
达尔文专心研究了大量具有两种器官的兰花：一种是使昆虫能够把花粉从一朵花传到另一朵花，另一种是使这些花粉不致落到同一朵花的柱头上。作为第一种特别不同的器官的例子，达尔文描述了一种非常大而且下垂的万带兰科中的盔兰属的构造。
这种兰花的唇瓣的末稍部分变成了一个大杓，在这个大杓的上空，有两个附属物从唇瓣狭窄的基部伸开来，并且分泌出很多液体，这种液体一滴滴地落到杓上，然后将它盛满在杓中。这种液体也许和花蜜一样，但它不甜，因此也吸引不了昆虫。当杓充满了液体时就从管里溢出，在管面上有一个带有花粉的空心柱状物。很可能，传粉的蜜蜂是被唇瓣的上半部吸引来的，因为它们总是把这一部分啃光，并在啃的时候掉进杓里，即掉到液体里，它们只有在长着花粉和空心柱状物的地方才能从液体中爬出来。昆虫在使劲爬出来时就粘上了花粉，在它第二次掉进另一个花的杓时，它为自己从杓里另辟一条道路，把大量的花粉带到柱头上，这种行为称之为传播花粉。
对兰花的构造和对它们凭借昆虫进行异花受精的器官的研究，清楚地向人们阐述了物种的起源，并且表明，甚至连表面上看来十分微小的变化也是有益的。这种可能性吸引着达尔文，就是依照螺旋状导管的运动情况把这些不同开头归结为一个示意图，称为“共同的祖先”。他在1861年10月22日给胡克写道：“这种可能性使我很感兴趣。”
他研究兰花时觉得自己很懒，因为他为了进行“次要的”观察，丢开了他的主要工作。他写道：“对我来说，观察比写作更有意思，我为我没有认真研究公鸡、母鸡、鸭的变种而愧疚。”
一开始，他想把这本书作为《林纳学会会报》的论文出版，后来又决定交给《物种起源》的出版者穆瑞，并提出以后风险共担。因为他认为，一定数量的购买者保证会有的，但这样的购买者可能为数不多。他给穆瑞写道：“我觉得，我的鹅是天鹅，这个课题是很有意思的。”穆瑞想承担一切风险。该书的第一版《兰花借助昆虫传粉的各种器官》在1862年出版。一般来说，对这本书的评论褒贬不一，《雅典神殿》杂志有个什么都不懂的人以可怜和看不起的态度对待达尔文，他写给穆瑞的信中说：“植物学家们认为这本书很好，而对人很好的达尔文，从不认为自己是个植物学家，我对此很吃惊。”
应该提到一点，19世纪60年代以来的植物学著作开始使达尔文很感兴趣。因为健康原因达尔文没办法长时间地研究那些需要花费很大精力和劳动的课题，如果写得快他会很累，他很喜欢研究现实的活动。他一直认为：“如果只是研究而不写作，做博物学就没意思了。”
19世纪60年代初，在植物学的问题上，除了兰花以外，他还认真研究了某些植物的花的二形性和攀缘植物。
那还是1860年夏天，他考察了报春花的二形性。有一种花的雄蕊比雌蕊高，它们的雄蕊是小粒花粉，花冠有一个较长的茎；另一种花有的雌蕊比雄蕊高，它们的雄蕊是小粒花粉，花冠有一个较长的茎。另一种花有的雌蕊很短，有的雌蕊有很大花粉粒，花冠的茎也较短。达尔文的第一个想法是，这是两性花到单性花的过渡，短雌蕊的花像雄性，长雄蕊的花像雌性。但是这种假说是不对的，是没有经过试验证实的。然而，有的花能够孕育而有的花不能。
1861年秋天，达尔文写完了关于樱草二形性的著作，并在《林纳学会会报》上刊载了关于报春花的研究。从1861年11月21日给胡克的信中可看出他十分重视这篇论文，所以他决定在伦敦林纳学会上做报告。
“我觉得林纳学会给我的印象，比我给他们的印象更强烈；因为我到第二天晚上很晚的时候才起床，很艰难地回家……我感到很烦的是不能和其他人一样地做事。”
植物千层菜更加有趣，因为它是具有3种不同雄花和雌花形态的花。达尔文把3种形态的花粉同其中任意一种雌花进行了杂交。达尔文高兴地认为，这些事实能够推翻任何承认物种不变的理论，而试验向他表明，柱头似乎不同于花粉，就是说，只有另一种花是长出杓管而且在唇瓣的杓管里发芽，才能怀疑这两个品种的花是不同的。
他想看到，这些品种的差别的意义在于不同品种的花的雄蕊和雌蕊是在不同时期成熟的。
对于千层菜三形性的这些观察，也刊登在《林纳学会会报》上。报春花载于1863年，而千层菜载于1864年，合在一起，叫做《同种植物上的花的不同形状》。
当时，他同植物学家胡克、爱沙·葛雷、季泽尔顿、达伊尔、也沁以及喜欢园艺的人经常通信。他们在给胡克写信时说，达尔文平时就把胡克看做“自己的读者”，并且“对胡克的意见最感兴趣”。胡克当时继任他父亲的工作，担任皇家植物园园长的职位，他一直对达尔文很好，经常给达尔文提供植物资料，并十分关心达尔文所有的植物试验和观察。爱沙·葛雷写了许多赞扬达尔文植物学的著作。达尔文给他写信道：“我的成果远远没达到您的赞赏水平。如果我还没有变得看不起任何人的话，您和胡克一定要继续用好话来赞扬我。”
以后，达尔文着手写另一部植物学著作。写这本书是源于他在1862年读了爱沙·葛雷于1858年发表的一篇论葫芦植物卷须的盘绕的短文。达尔文对这篇文章很感兴趣，爱沙·葛雷给他寄来了种子，达尔文把种子种下，放在自己的书房里，每天观察它的变化。在观察中他发现这种植物最上面的两片叶子中间的那段茎虽然没有阳光的照射，但它依然不断地缓慢旋绕。从这些现象中，他得出的结论是：这种旋绕和光线毫无关系。但是，他还指出，卷段对所接触的东西非常敏感，并且一经触及就很快在这种或那种支柱的周围缠起来，然后就长粗、变硬，并固定在这些支柱上。
植物的器官在外界不断发展变化的条件下，通过自然选择把适宜的功能保存下来，并传给后代。在他给胡克的信中，他这样写道：“对我来说，这是一项新的工作。使我高兴的是，我得出了这样的结论：在进行观察时，如果相信植物是可变的这一原则会对以后的工作有极好的指导作用。”
从1863年秋天到1864年春天，他的病情日趋严重，惟一的工作就是观察。按照他的习惯，他会大量广泛地扩展研究的对象，从各地订购不同的攀缘植物的种子，其中很多种子是从胡克那里弄到的。为了确定卷须在附着硬物时的敏感性，他把有一定重量的线挂在卷须上，观察卷须的反应。他认为，攀缘植物能够伸到有光线的地方，并把叶子伸向有光线的地方和户外，而且它做到这一点时比其他一般植物消耗的有机物要少。他认为，各种攀缘植物的攀缘方法是不尽相同的。
达尔文把他研究的植物分为4类。第一类植物借助旋转运动而攀爬，而且这种运动可以由顺时针方向改变为逆时针方向。嫩枝在遇到支柱后便停止生长，而在支柱外的部分继续旋绕，于是新长出的部分同支柱接触，植物就围住支柱缠绕起来。例如，啤酒花就是这样。
第二类植物起作用的是接触引起的刺激，因为植物在此处变弯，并且围绕着支柱生长。达尔文把这类植物又分成几类；一类是有感觉的地方在叶柄：一类是有感觉的地方在叶子中间的叶脉，这个地方往往变得又粗又硬，而且植物牢牢地附着支柱之后，就不可能再被风刮掉。达尔文认为，那些没有感觉的叶子和有着感觉的卷须的植物，也应属于对接触到的东西有感觉的植物这一类。他认为，这些植物最能攀绕。他把用钩和根攀绕的植物归于第三类和第四类。
三、人类的起源
《人类的起源》一多半的内容是用性选择理论和应用解释动物二性化问题，关于人类起源的内容只占全篇的1/3。
达尔文叙述了这一事实：人类起源于某种低等动物，人类是由低等动物发展起来的。
在第一章中，达尔文研究了人体构造。从人类器官来看，人是哺乳动物。奥温和其他一些人曾用来区分人和其他哺乳动物的是人和类人猿在脑构造上的差别，如赫胥黎所说的，比类人猿和其他接近类人猿的猴子的差别还要小。人与猴子的相似之处在于：疾病类型，药物作用相同，如抽烟、喝酒都能引起舒畅快感等。人类在生殖和发育上具有猴子的特点：婴儿弱小，性别不同。
人的胚胎发育，同其他哺乳动物脊椎动物纲有共同特征：卵细胞和其他哺乳动物脊椎动物纲的卵细胞有一样的鳃沟；人的手和脚也像蜥蜴、鸟和哺乳动物的胚胎上的脚和手，位置相同。达尔文用了胚胎学方面的成就：血管状的心脏，胎儿排泄腔的形成，尾骨的存在，鱼的肾脏同系物的发育。他指出7个月大的胎儿的大脑皱壁，就像成年猩猩的大脑皱壁一样。他在援引赫胥黎的话时指出：“人类与猴子的相似，强于猴子相似于狗。”
达尔文对未发育器官阐明了自己的观点，这些器官具有变异性返祖现象。他描述了人的皮下肌肉能抽动皮肤的残存现象，肌肉能耸动眉毛和颈肌的残存现象，这种颈肌已经不能任意收缩。他谈到了一些返祖现象，这就是在个别人的身上作为例外出现的一种能力，例如摆动耳朵的能力，这种能力经常作为一个家庭的特点遗传下去。他指出，猩猩和黑猩猩的耳朵不能摆动，这是与人的耳朵相似的缘故。指出人的外耳存在特别的、微尖的突出部，后来这一部分被称之为“达尔文突出部”，他把这一部分看做是其他哺乳动物耳朵尖部的同系物。他举出人的眼睛上的半月形皱纹，说这是第三眼睑或者说是瞬膜的同系物。原始人种的嗅觉比较灵敏，他把这看做是过去留下来的遗传物。他认为，人的头发又长又密的特征，是祖先周身浓密毛层的残留。人的尾骨也是如此。他用这一理论研究了6个月的胎儿身上具有茸毛状的毛发层的状况。
在第一章最后，他自豪地说，他的理论在10年的斗争中，在认识上有了很大的转变。“不可思议的是那些博物学家很熟悉解剖学和哺乳动物胚胎，却有每一个动物都是上帝逐个创造出来的想法。”
决定人类起源的因素和原因同决定其他动物起源的因素和原因是一个问题，关于人类由低等生物发展来的方式是这一章的基本思想。人也具有变异性和遗传性的特征，和动物一样。人的变化规律与家养动物和栽培植物所具有的变化规律不同。达尔文很少把人类的变化归之为受条件直接而又明显的影响，对比看动植物的变化也是这样，只是容许这些条件能引起“数量几乎是无法确定的变化”，使生物体达到一定程度的可塑性罢了。
达尔文还详细地研究了其他变化因素：器官的使用，发展的中断，作为畸形返回到从前的类型，然后他不仅谈到变化的相互关系，而且谈到人类增殖的速度，最后谈到靠自然选择不仅得到身体构造上的特征，而且还获得了智能和共同的本能。智能人的语言发展得越来越清晰，发明工具和取火技术都是智能发展的产物。达尔文补充说：“我不明白为什么华莱士先生主张通过自然选择，野人的脑子只会比猴子发达一点。”
达尔文在《物种起源》中没有讲到生命和本能的起源问题，同时他也没有向人们阐明低等动物的智能是怎样发展起来的问题。因为达尔文觉得这些问题对人们目前来说是无关紧要的，若真要解决，可留待以后去揭示，如自我保护、性爱、母爱、婴儿吮吸奶汁的本能。达尔文仔细研究本能和智慧的相互关系时，和往常一样，列举了能说明这种相互关系的大量事实。像他在《物种起源》里所阐述的，复杂的本能都有一个由简单到复杂的发展过程，这与智力的发展是无关系的。而且简单的无意识的本能动作与深思熟虑过的动作是可以互相替换的。
在《人类的起源》中针对这个既复杂又困难的问题，达尔文始终坚持以辩证的方式去看待它。他以人的大脑为例说明了本能由简入繁的发展过程及人的有意识的本能与动物的无意识的本能是不同的。
但同时达尔文也承认人有意识的本能与动物无意识的本能之间存在相似之处。
关于人类的系谱，达尔文认为，人来源于狭鼻猿类，当时狭鼻猿类已经从阔鼻猿类中分了出来。根据赫胥黎的意见，猿来源于狐猴，狐猴来源于其他高级哺乳动物，而其他高级哺乳动物则来源于有袋亚纲。有袋亚纲则通过原兽亚纲来源于爬虫纲。达尔文附带声明说，就在人们试图彻底研究哺乳动物的系谱时，我们越来越明显地感觉到这一课题在科学领域的空白。达尔文扼要地解释说，可以设想所有的脊椎动物亚门彼此之间有血缘关系，并且来源于无颚类祖先。在更早更原始的祖先中，达尔文列举了文昌鱼，即蛞蝓鱼，当时人们把它归为鱼类，而且把它看做是脊椎动物亚门中最原始的动物。后来他又转而研究海鞘的幼虫。他列举了别人向他报告的亚·奥·科瓦列夫斯基在那波利的发现，即海鞘的幼虫，就其发展方式和神经系统的位置，就蛞蝓鱼和高级脊椎动物胚胎所固有的脊索的存在方面来说，是和脊椎动物亚门相似的。达尔文断定：“因此，如果相信胚胎学，我们最终会了解脊椎动物亚门是如何起源的。可以推断，在以前极其遥远的时期，就存在过一类动物，它们在许多方面都与现在的海鞘幼虫相似。这一类动物分为两大分支，其中一支在发展中变弱了，形成了现在的海鞘纲；另一分支则发展到动物界的高级阶段，奠定了脊椎动物亚门的基础。”
达尔文指出通过残留的物种器官可以推断出人类远祖的外貌，同时他也指出每种生物其构造都是奇特的，独一无二的。