เมื่อดาร์วินอายุ 22 ปี ได้เดินทางไปกับเรือ HMS Beagle ตามคำเชิญ จากกองทัพเรืออังกฤษ เพื่อสำรวจและเก็บข้อมูลทางธรรมชาติรอบโลก

เรือ HMS Beagle ออกเดินทางจากประเทศอังกฤษ โดยมีแผน สำรวจไปตามเส้นทางรอบทวีปอเมริกาใต้ ผ่านมหาสมุทรแปซิฟิก ทวีปออสเตรเลีย ผ่านมหาสมุทรอินเดีย และตอนใต้ของทวีปแอฟริกา แล้วกลับสู่ประเทศอังกฤษ รวมเป็นระยะเวลาประมาณ 5 ปี

ในระหว่างเดินทาง ดาร์วินได้สำรวจทางธรณีวิทยา บันทึกรายละเอียด และเก็บรวบรวมซากดึกดำบรรพ์ รวมทั้งตัวอย่างสิ่งมีชีวิตต่างๆ ที่เขาพบ ซึ่งนําไปสู่แนวคิดสำคัญเกี่ยวกับทฤษฎีการคัดเลือกโดยธรรมชาติในเวลาต่อมา

จากหลักฐานซากดึกดำบรรพ์ ดาร์วินสังเกตเห็นว่าซากดึกดำบรรพ์บางชนิด มีความคล้ายคลึงกับสิ่งมีชีวิตในขณะนั้น บางชนิดแตกต่างกัน บางชนิดไม่พบอีกแล้ว

ตัวอย่างหลักฐานซากดึกดำบรรพ์ เช่น ซากดึกดำบรรพ์ของ Glyptodon ซากดึกดำบรรพ์ของ Mylodon

จากหลักฐานซากดึกดำบรรพ์ ดาร์วินสังเกตเห็นว่าซากดึกดำบรรพ์บางชนิด มีความคล้ายคลึงกับสิ่งมีชีวิตในขณะนั้น บางชนิดแตกต่างกัน บางชนิดไม่พบอีกแล้ว

จากการศึกษาซากดึกดำบรรพ์ของ Glyptodon ซึ่งสูญพันธุ์ไปแล้ว สรุปได้ว่า เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีขนาดใหญ่ มีเกราะเป็นเกล็ดเล็กๆ และมีน้ำหนัก ประมาณ 2,000 กิโลกรัม มีลักษณะคล้ายกับ Armadillo ในปัจจุบันซึ่งมีขนาดเล็ก และยังคงมีเกราะเป็นเกล็ดเล็กๆ อยู่ มีน้ำหนักเพียง 60 กิโลกร้ม

จากการศึกษาซากดึกดำบรรพ์ของ Mylodon ซึ่งสูญพันธุ์ไปแล้ว พบว่ามีลักษณะคล้าย Sloth ในปัจจุบัน ซึ่งสามารถปีนป่ายอยู่ต้นไม้ได้ แต่ Mylodon มีขนาดตัวที่ใหญ่กว่า Sloth ปัจจุบันมาก ซึ่งทำให้มีลักษณะที่ไม่เหมาะในการปีนต้นไม้ Mylodon ที่มีขนาดเล็กที่สุด เมื่อยืนด้วยขาหลังจะสูงได้ถึง 3 เมตร

จากการศึกษาซากดึกดำบรรพ์ของ Glyptodon ซึ่งสูญพันธุ์ไปแล้ว สรุปได้ว่าเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีขนาดใหญ่ มีเกราะเป็นเกล็ดเล็กๆ และมีน้ำหนักประมาณ 2,000 กิโลกรัม มีลักษณะคล้ายกับ Armadillo ในปัจจุบันซึ่งมีขนาดเล็ก และยังคงมีเกราะเป็นเกล็ดเล็กๆ อยู่ มีน้ำหนักเพียง 60 กิโลกร้ม

จากการศึกษาซากดึกดำบรรพ์ของ Mylodon ซึ่งสูญพันธุ์ไปแล้ว พบว่า มีลักษณะคล้าย Sloth ในปัจจุบัน ซึ่งสามารถปีนป่ายอยู่ตามต้นไม้ แต่ Mylodon มีขนาดตัวที่ใหญ่กว่า Sloth ปัจจุบันมาก เมื่อยืนด้วยขาหลัง อาจจะสูงได้เกิน 6 เมตร ซึ่งทำให้มีลักษณะที่ไม่เหมาะต่อการปีนต้นไม้

จากหลักฐานซากดึกดำบรรพ์ที่ค้นพบนี้ ทำให้ดาร์วิน ได้แนวความคิดที่ว่า ในสภาพแวดล้อมที่จำกัด สิ่งมีชีวิตมีการดิ้นรน ต่อสู้เพื่อจะอยู่รอด สิ่งมีชิวิตชนิดที่ไม่สามารถอยู่รอดก็จะสูญพันธุ์ไป

นอกจากหลักฐานซากดึกดำบรรพ์แล้ว หลักฐานเกี่ยวกับความหลากหลาย ของสิ่งมีชีวิตในสภาพแวดล้อมต่างๆ ก็ทำให้ดาร์วินสังเกตเห็นถึงความแตกต่าง ของทั้งพืชและสัตว์ที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมแตกต่างกัน หรือในบริเวณที่มีสภาพแวดล้อมคล้ายคลึงกัแต่อยู่ห่างไกลกัน ซึ่งสิ่งมีชิวิตที่ดาร์วินพบนี้ มีลักษณะบางอย่างที่ไม่เหมือนกัน

นอกจากหลักฐานซากดึกดำบรรพ์แล้ว หลักฐานเกี่ยวกับความหลากหลาย ของสิ่งมีชีวิตในสภาพแวดล้อมต่างๆ ทำให้ดาร์วินมีข้อสังเกต ดังนี้

ดาร์วินสังเกตเห็นถึงความแตกต่างของทั้งพืชและสัตว์ที่อาศัยอยู่ ในสภาพแวดล้อมแตกต่างกันหรือในบริเวณที่มีสภาพแวดล้อมคล้ายคลึงกัน แต่อยู่ห่างไกลกัน ซึ่งสิ่งมีชิวิตที่ดาร์วินพบนี้ มีลักษณะบางอย่างที่ไม่เหมือนกัน

ตัวอย่างความแตกต่างของสัตว์ที่อาศัยอยู่ห่างไกลกัน แต่มีสภาพแวดล้อม ที่คล้ายคลึงกัน เช่น สัตว์จำพวกหนูที่พบในสภาพแวดล้อมแบบทุ่งหญ้า ในทวีปอเมริกาใต้ มีลักษณะคล้ายกับกระต่ายที่อาศัยอยู่ในทุ่งหญ้าในแถบยุโรป

สัตวจำพวกหนู (Dolichotis patagonium) ซึ่งอาศัยอยู่บริเวณทุ่งหญ้าในแถบอเมริกาใต้ มีขาและหูยาวคล้ายกระต่ายที่พบในแถบยุโรป (Lepus europaeus) สัตว์ทั้งสองชนิดนี้ อาศัยอยู่ห่างไกลกัน แต่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่คล้ายกัน กินหญ้าเป็นอาหาร ซ่อนตัวอยู่ตามพุ่มไม้ และมีขาที่ยาวช่วยให้เคลื่อนที่ได้รวดเร็วเหมือนกัน

สัตวจำพวกหนู (Dolichotis patagonium) ซึ่งอาศัยอยู่บริเวณทุ่งหญ้าในแถบอเมริกาใต้ มีขาและหูยาวคล้ายกระต่าย (Lepus europaeus) ที่พบในแถบยุโรป สัตว์ทั้งสองชนิดนี้ อาศัยอยู่ห่างไกลกัน แต่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่คล้ายกัน กินหญ้าเป็นอาหาร ซ่อนตัวอยู่ตามพุ่มไม้ และมีขาที่ยาวช่วยให้เคลื่อนที่ได้รวดเร็วเหมือนกัน

เต่ายักษ์กาลาปากอสที่พบที่หมู่เกาะกาลาปากอสแต่ละเกาะ จะมีลักษณะที่แตกต่างกันไป ทั้งขนาดและรูปร่างของกระดอง รวมทั้งลักษณะอื่นๆ เช่น ความยาวของคอและขา ซึ่งลักษณะต่างๆ เหล่านี้มีความเหมาะสมต่อสภาพแวดล้อมในแต่ละเกาะที่เต่ายักษ์กาลาปากอสแต่ละชนิดอาศัยอยู่

ตัวอย่างความแตกต่างของสัตว์ที่อาศัยในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่น เต่ายักษ์กาลาปากอสที่พบตามเกาะต่างๆ บนหมู่เกาะกาลาปากอส จะมีลักษณะที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะในแต่ละเกาะ

เต่ายักษ์กาลาปากอสที่พบที่หมู่เกาะกาลาปากอสแต่ละเกาะ จะมีลักษณะที่แตกต่างกัน ทั้งขนาดและรูปร่างของกระดอง รวมทั้งลักษณะอื่นๆ เช่น ความยาวของคอและขา ซึ่งลักษณะต่างๆ เหล่านี้มีความเหมาะสมต่อสภาพแวดล้อมในแต่ละเกาะที่เต่ายักษ์กาลาปากอสแต่ละชนิดอาศัยอยู่

จากหลักฐานเกี่ยวกับความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตที่ค้นพบนี้ ทำให้ดาร์วินได้แนวความคิดว่าความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต เกิดจากการเปลี่ยนแปลงเพื่อให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมนั้นๆ ซึ่งจะเกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปโดยใช้เวลาหลายชั่วรุ่น

และเมื่อรวมกับความรู้ที่ดาร์วินได้เคยศึกษาจากแนวคิดของชาลส์ ไลเอลล์ (Charles Lyell) จากหนังสือ The Principles of Geology ซึ่งกล่าวว่า โลกเกิดมานานมีอายุหลายพันล้านปีและมีการเปลี่ยนแปลงแบบค่อยเป็น ค่อยไป ยิ่งสนับสนุนแนวความคิดดังกล่าวข้างต้นของดาร์วิน

เมื่อรวมกับความรู้ที่ดาร์วินได้เคยศึกษาจากแนวคิดของชาลส์ ไลเอลล์ (Charles Lyell) จากหนังสือ Principles of Geology ซึ่งกล่าวว่า

100 ล้านปีที่แล้ว

โลกเกิดมานานมีอายุหลายพันล้านปี และมีการเปลี่ยนแปลง แบบค่อยเป็นค่อยไป ยิ่งสนับสนุนแนวความคิดดังกล่าวข้างต้นของดาร์วิน

ปัจจุบัน

200 ล้านปีที่แล้ว