HMS Beagle'ın yolculuğu iki yerine beş yıl sürdü. Darwin, yolculuk boyunca çok çeşitli jeolojik oluşumlar, fosiller ve canlılar keşfetti, ve bunlardan örnekler topladı. Fırsat buldukça Cambridge'e keşiflerini anlatan ayrıntılı mektuplar yazıyor, topladığı ilginç örnekleri postalıyordu. Bu sayede, kendisi uzakta olmasına rağmen, İngiliz doğabilimcileri arasında ünü epey yayıldı. Yolculuk boyunca tuttuğu günlüğüne, doğabilimsel keşiflerinin yanısıra, karşılaştığı değişik insan topluluklarıyla ilgili kültürel ve antropolojik gözlemlerini de yazıyordu. Bu günlüğü 1839'da The Voyage of the Beagle (Beagle Yolculuğu) adıyla yayımlayacaktı.
HMS Beagle Tierra del Fiego'daPrinciples of Geology'nin 1832'de çıkan ikinci cildi, Güney Amerika'daki Darwin'e postalandı. Charles Lyell, bu ciltte evrim fikrine karşı çıkıyor, biyolojik türlerin dağılımını "yaradılış merkezleri" fikriyle açıklıyordu. Darwin, bir taraftan bunu okurken, bir taraftan da daha sonra kendi evrim teorisini destekleyecek olan çok önemli gözlemler yapıyordu. Galápagos Adaları'ndan pek çok "alaycıkuş" (mockingbird) örneği topladı, ve bu kuşların, yaşadıkları adalara göre ufak fizyolojik farklar gösterdiklerini farketti. Yerel İspanyollar'ın, bir kaplumbağanın görünüşüne bakarak hangi adadan geldiğini anlayabildiklerini öğrendi. (İngiltere'ye dönüş yolculuğunda notlarını düzenlerken, "alaycıkuşlar ve kaplumbağalar hakkındaki şüphelerim doğruysa, türlerin değişmezliği fikri sarsılacaktır" diye yazacaktı.) Avustralya'da gördüğü keseli sıçan-kangurular ve ornitorenkler Darwin'i o kadar şaşırttı ki, Dünya canlılarının iki ayrı yaratıcı tarafından yaratılmış gibi olduklarını düşündü.