Sefer heyeti HMS Beagle adlı bir gemiyle yola çıktı. Araştırma gezisi beş yıl sürdü. Gemi Brezilya’ya, Arjantin’e Şili’ye Peru’ya ve Pasifik Okyanusu’nds Ekvador açıklarındaki Galapagos Adaları’na uğradı. Kayalık on adadan oluşan bu adaların her birinde farklı bir vahşi yaşam varlığını sürdürüyordu.
Darwin, yol boyunca bitki, kuş ve hayvan örneklerinin dışında kaya ve fosillerin de bulunduğu büyük bir koleksiyon oluşturdu. Ayrıca, yolculuk sırasında gördüğü her şeyle ilgili ayrıntılı notlar tuttu. Sonra, topladığı bu malzemeyi, özellikle de Galapagos Adaları’na yaptığı gözlemleri, evrim kuramını biçimlendirirken kullandı.
Beagle, 1836 yılının Ekim ayında İngiltere’ye döndü. Darwin, bunu izleyen 20 yılı bulguların kaleme almakla geçirdi. 1858’de, benzer düşüncelere sahip Alfred Wallace’ın (1823-1913) yazdığı bir kitabın ilk müsveddeleri eline ulaştı. Düşüncelerini birlikte geliştirdiler fakat bu işte Darwin’in rolünün Wallace’ınkinden daha büyük olduğu anlaşılmıştır.
Darwin 1859’da, evrimle ilgili kuramlarını ortaya koyduğu Türlerin Kökeni adlı kitabını yayımladı. Kitap kısa sürede başarı kazandı. Fakat yeryüzündeki yaşamının başlangıcı ile ilgili geleneksel inançlara meydan okuduğu için büyük bir gürültü de kopardı. Kitapta yer alan devrimci düşüncelerden biri, canlı olan her şeyin milyonlarca yıllık bir zaman dilimi içinde evrime uğradığı düşüncesiydi. Bu, dünyanın altı günde yaratıldığı ve o zamandan beri hiç değişmediğini ileri süren dinsel öğretiyi kabul etmemek demekti. Bugün çoğu bilim adamı biyolojik değişmeyi açıklamak için değişik ölçülerde Darwin’ci kurandan yararlanmaktadır. Fakat buna rağmen kuranda birtakım değişiklikler yapılmaya da devam edilmektedir. Ancak, 18.yüzyılda dinsel gerekçelerle Darwin’in düşüncelerine bugün de karşı çıkan kimi insanlar da yok değildir.