菲茨罗伊的正式任务是绘制沿海水域图，但他的爱好——实际上是热情——是寻找对创世的字面圣经解释的证据。达尔文受过牧师培训，这对菲茨罗伊决定让他上船至关重要。达尔文后来不仅被证明观点自由，而且对基督教基本原理并非全心全意投入，这成为他们之间持久摩擦的根源。
达尔文在1831年至1836年乘坐“小猎犬号”的时光，显然是他一生中具有塑造性的经历，但也是最艰难的经历之一。他和船长共用一个小船舱，这肯定不容易，因为菲茨罗伊情绪暴躁，会勃然大怒，随后又会陷入闷闷不乐的状态。他和达尔文经常争吵，有些争吵“近乎疯狂”，正如达尔文后来回忆的那样。在最好的情况下，远洋航行也往往会变得忧郁——“小猎犬号”的前任船长就在一次孤独的沮丧时刻用子弹射穿了自己的脑袋——而菲茨罗伊来自一个以抑郁倾向闻名的家族。他的叔叔卡斯尔雷子爵在前十年担任财政大臣期间割喉自杀了。（菲茨罗伊本人将在1865年以同样的方式自杀。）即使在情绪平静的时候，菲茨罗伊也显得出奇地难以捉摸。达尔文在航行结束后惊讶地得知，菲茨罗伊几乎立刻就娶了一位他早已订婚的年轻女子。在与达尔文共处的五年里，他从未暗示过任何依恋，甚至从未提及过她的名字。
然而，在所有其他方面，“小猎犬号”的航行是一次胜利。达尔文经历了足够一生的冒险，积累了足以让他声名鹊起并忙碌多年的标本。他发现了一批宏伟的古代巨型动物化石，包括迄今为止已知最好的大地懒（Megatherium）；在智利经历了一场致命的地震；发现了一种新的海豚物种（他尽职地将其命名为菲茨罗伊海豚，Delphinus fitzroyi）；在整个安第斯山脉进行了勤奋而有用的地质调查；并提出了一种新的、备受赞赏的珊瑚环礁形成理论，该理论并非巧合地暗示环礁的形成至少需要一百万年——这是他长期坚持地球过程极其古老的第一个迹象。1836年，二十七岁的他，在离开五年零两天后回到了家。他再也没有离开过英格兰。
达尔文在航行中没有做的一件事是提出进化论（甚至没有提出任何进化理论）。首先，进化作为一个概念在1830年代已经存在了几十年。达尔文自己的祖父伊拉斯谟，在查尔斯出生前多年，就在一首平庸但富有灵感的诗《自然的殿堂》中赞扬了进化原理。直到年轻的达尔文回到英国，阅读了托马斯·马尔萨斯的《人口原理论文》（该文提出，由于数学原因，食物供应的增长永远跟不上人口增长），生命是一场永恒的斗争，而自然选择是一些物种繁荣而另一些物种失败的方式这一想法才开始在他的脑海中酝酿。具体来说，达尔文看到的是所有生物都为资源竞争，那些具有某种先天优势的生物会繁荣并将这种优势传给后代。通过这种方式，物种会不断改进。
这似乎是一个极其简单的想法——它确实是一个极其简单的想法——但它解释了很多东西，达尔文准备为此奉献一生。“我怎么这么蠢，没想到这个！”托·亨·赫胥黎在阅读《物种起源》后惊呼道。这一观点自那时起一直被重复。
有趣的是，达尔文在他的任何著作中都没有使用“适者生存”这个短语（尽管他确实对其表示钦佩）。这个表达是在《物种起源》出版五年后，由赫伯特·斯宾塞在1864年的《生物学原理》中创造的。他也没有在印刷品中使用“进化”（evolution）这个词，直到《物种起源》的第六版（那时它的使用已经太广泛而无法抗拒），而是更喜欢用“带有修饰的后裔”（descent with modification）。最重要的是，他的结论绝非受到他在加拉帕戈斯群岛期间注意到雀鸟喙部有趣多样性的启发。通常讲述的故事（或者至少是我们许多人经常记起的）是，达尔文在岛屿间旅行时，注意到每个岛上雀鸟的喙都奇妙地适应了利用当地资源——在一个岛上，喙坚固短小，适合敲开坚果；而在下一个岛上，喙可能长而细，适合从缝隙中掏取食物——正是这一点让他开始思考，也许这些鸟并非被这样创造出来的，而是在某种意义上创造了自己。
事实上，鸟儿们确实创造了自己，但注意到这一点的并非达尔文。在“小猎犬号”航行时期，达尔文刚大学毕业，还不是一位有成就的博物学家，因此未能看出加拉帕戈斯群岛的鸟儿都是同一种类型。是他的朋友、鸟类学家约翰·古尔德意识到，达尔文发现的是许多具有不同才能的雀科鸣鸟。不幸的是，由于缺乏经验，达尔文没有记录下哪些鸟来自哪些岛屿。（他在陆龟身上也犯了类似的错误。）理清这些混乱花了数年时间。
由于这些疏忽，以及需要整理一箱又一箱其他的“小猎犬号”标本，直到1842年，也就是他返回英国六年后，达尔文才最终开始勾勒出他新理论的雏形。两年后，他将这些草稿扩展成一份230页的“概要”。然后他做了一件非同寻常的事：他把笔记收起来，在接下来的十五年里忙于其他事务。他生了十个孩子，花了近八年时间写了一部关于藤壶的详尽巨著（“我恨藤壶，就像以前从未有人恨过一样，”他在完成这部著作时可以理解地叹息道），并且染上了一种奇怪的疾病，使他长期精神萎靡、头晕目眩、心慌意乱，正如他所说的那样。症状几乎总是包括可怕的恶心，并且通常还伴有心悸、偏头痛、疲惫、颤抖、眼前有斑点、气短、“头晕目眩”，以及毫不奇怪的抑郁。
这种疾病的原因从未确定，但在众多推测的可能性中，最浪漫也或许最有可能的是他患上了查加斯病，这是一种迁延性的热带疾病，他可能是在南美洲被一种班丘加虫叮咬后感染的。一个更平淡的解释是他的状况是心身性的。无论哪种情况，痛苦都不是假的。他常常一次只能工作二十分钟，有时甚至更短。
他其余的大部分时间都花在一系列日益绝望的治疗上——冰冷的浸浴、醋的冲洗、用“电链”缠绕自己，让他承受微小的电流冲击。他变得有点像个隐士，很少离开他在肯特郡的家——唐屋。搬进这所房子后，他做的第一件事就是在书房窗外装了一面镜子，这样他就能认出，并在必要时避开访客。
达尔文对自己的理论秘而不宣，因为他深知它会掀起怎样的风暴。1844年，他将笔记锁起来的那一年，一本名为《自然创造史的遗迹》的书激怒了大部分思想界，因为它暗示人类可能是在没有神圣创造者帮助的情况下从较低等的灵长类进化而来的。作者预料到了强烈反对，采取了谨慎的措施来隐藏自己的身份，甚至对最亲密的朋友也保守了这个秘密长达四十年。有些人猜测达尔文本人可能就是作者。另一些人则怀疑是阿尔伯特亲王。事实上，作者是一位成功且通常谦逊的苏格兰出版商，名叫罗伯特·钱伯斯，他不愿透露身份既有个人原因，也有实际考虑：他的公司是圣经的主要出版商。《遗迹》在英国各地及更远地方的讲坛上受到热烈抨击，但也招致了大量更具学术性的愤怒。《爱丁堡评论》几乎用了整整一期——八十五页——来对其进行驳斥。甚至T.H.赫胥黎，一位进化论的信徒，也带着一些怨毒攻击了这本书，却不知道作者是他的朋友。[42]
达尔文的手稿可能一直锁在抽屉里直到他去世，但1858年初夏，远东传来了一个令人震惊的消息，形式是一封装有年轻博物学家阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士友好信件和一份题为《论变种无限偏离原始类型的倾向》的论文草稿的包裹，其中概述的自然选择理论与达尔文的秘密笔记惊人地相似。甚至一些措辞也呼应了达尔文自己的。“我从未见过如此惊人的巧合，”达尔文沮丧地反思道。“如果华莱士有我1842年写出的手稿草稿，他不可能做出比这更好的简短摘要了。”
华莱士并非像有时所说的那样突然闯入达尔文的生活。两人早已通信，华莱士不止一次慷慨地寄给达尔文他认为可能感兴趣的标本。在这些交流过程中，达尔文曾谨慎地警告华莱士，他视物种创生这个主题为自己的领地。“今年夏天将是我开始第一本关于物种和变种如何以及以何种方式相互区别的笔记本的第20个年头（！），”他早些时候曾写信给华莱士。“我现在正在准备我的著作出版，”他补充道，尽管他实际上并没有。