1831 году, по окончании университета, Дарвин в качестве натуралиста отправился в кругосветное путешествие на экспедиционном судне королевского флота «Бигль», откуда вернулся в Англию лишь 2 октября 1836 года. Путешествие продолжалось без малого пять лет. Большую часть времени Дарвин проводит на берегу, изучая геологию и собирая коллекции по естественной истории, в то время как «Бигль» под руководством Фицроя осуществлял гидрографическую и картографическую съёмку побережья. В течение путешествия он тщательно записывает свои наблюдения и теоретические выкладки. Время от времени, как только для этого представлялся удобный случай, Дарвин отсылает копии заметок в Кембридж, вместе с письмами, включающими копии отдельных частей его дневника, для родственников. За время путешествия он сделал ряд описаний геологии различных районов, собрал коллекцию животных, а также сделал краткое описание внешнего строения и анатомии многих морских беспозвоночных. В других областях, в которых Дарвин был несведущ, он проявил себя искусным коллекционером, собрав экземпляры для изучения их специалистами. Несмотря на частые случаи плохого самочувствия связанные с морской болезнью, Дарвин продолжал исследования и на борту судна; большинство его заметок по зоологии были о морских беспозвоночных, которых он коллекционировал и описывал во времена затишья на море. Во время первой остановки у берегов Сантьяго, Дарвин обнаруживает интересное явление — вулканические скалы с раковинами и кораллами, спёкшимися под действием высокой температуры лавы в твёрдую белую породу. Фицрой даёт ему первый том «Основ Геологии» (англ. ”Principles of Geology”) Чарлза Ляйеля, где автор формулирует концепции униформизма в трактовке геологических изменений в течение длительного периода. И уже самые первые исследования, произведённые Дарвином в Сантьяго на островах Зелёного Мыса, показало превосходство метода, применённого Ляйеллем. Впоследствии Дарвин принимает и использует подход Лайелля для теоретических построений и размышлений при написании книг по геологии.
В месте Пунта Альта, что в Патагонии, он делает важное открытие. Дарвин обнаруживает окаменевшее гигантское исчезнувшее млекопитающее. Важность находки подчёркивается тем, что останки этого животного находились в породах рядом с раковинами современных видов моллюсков, что косвенно указывает на недавнее исчезновение, без признаков изменения климата или катастрофы. Он определяет находку как малоизвестного мегатерия, с костным панцирем, который, по его первому впечатлению, походил на гигантскую версию местного броненосца. Эта находка породила огромный интерес, когда достигла берегов Англии. Во время поездки с местными гаучо во внутренние районы страны для описания геологии и сборов коллекций ископаемых останков он приобретает представления о социальных, политических и антропологических аспектах взаимодействия коренных народностей и колонистов в период революции. Он также замечает, что две разновидности страуса нанду имеют различные, но перекрывающиеся ареалы. Продвигаясь далее на юг, он обнаруживает ступенчатые равнины, выложенные галькой и раковинами моллюсков, наподобие морских террас, отражающие серию поднятий суши. Читая второй том Лайеля, Дарвин принимает его точку зрения на «центры сотворения» видов, но его находки и размышления заставляют его подвергать сомнению идеи Лайеля о постоянстве и исчезновении видов. На борту находилось трое огнеземельцев, которых забрали в Англию во время прошлой экспедиции «Бигля» около февраля 1830. Они провели год в Англии и теперь были возвращены обратно на Огненную землю в качестве миссионеров. Дарвин нашёл этих людей дружественными и цивилизованными, в то время как их соплеменники выглядели «жалкими, деградировавшими дикарями», ровно также как отличались домашние и дикие животные между собой. Для Дарвина эти различия в первую очередь продемонстрировали значение культурного превосходства, но никак не расовую неполноценность. В отличие от его учёных друзей, теперь он думал, что не существует непреодолимой пропасти между человеком и животными. Через год эта миссия была заброшена. Огнеземелец, которого назвали Джимми Буттон (англ. Jemmy Button), стал жить так же, как и другие аборигены: у него была жена и не было никакого желания возвращаться в Англию.
В Чили Дарвин стал свидетелем сильного землетрясения и видел признаки, указывающие на то, что земля только что поднялась. Этот поднявшийся пласт включал раковины двустворчатых моллюсков, которые оказались выше уровня высокого прилива. Высоко в Андах он также обнаружил раковины моллюсков и несколько видов ископаемых деревьев, которые обычно растут на песчаных пляжах. Его теоретические размышления привели его к тому, что, подобно тому как при поднятиях суши раковины оказываются высоко в горах, при опусканиях участков морского дна океанические острова уходят под воду, и при этом вокруг островов из береговых коралловых рифов формируются барьерные рифы, а затем атоллы.
В месте Пунта Альта, что в Патагонии, он делает важное открытие. Дарвин обнаруживает окаменевшее гигантское исчезнувшее млекопитающее. Важность находки подчёркивается тем, что останки этого животного находились в породах рядом с раковинами современных видов моллюсков, что косвенно указывает на недавнее исчезновение, без признаков изменения климата или катастрофы. Он определяет находку как малоизвестного мегатерия, с костным панцирем, который, по его первому впечатлению, походил на гигантскую версию местного броненосца. Эта находка породила огромный интерес, когда достигла берегов Англии. Во время поездки с местными гаучо во внутренние районы страны для описания геологии и сборов коллекций ископаемых останков он приобретает представления о социальных, политических и антропологических аспектах взаимодействия коренных народностей и колонистов в период революции. Он также замечает, что две разновидности страуса нанду имеют различные, но перекрывающиеся ареалы. Продвигаясь далее на юг, он обнаруживает ступенчатые равнины, выложенные галькой и раковинами моллюсков, наподобие морских террас, отражающие серию поднятий суши. Читая второй том Лайеля, Дарвин принимает его точку зрения на «центры сотворения» видов, но его находки и размышления заставляют его подвергать сомнению идеи Лайеля о постоянстве и исчезновении видов. На борту находилось трое огнеземельцев, которых забрали в Англию во время прошлой экспедиции «Бигля» около февраля 1830. Они провели год в Англии и теперь были возвращены обратно на Огненную землю в качестве миссионеров. Дарвин нашёл этих людей дружественными и цивилизованными, в то время как их соплеменники выглядели «жалкими, деградировавшими дикарями», ровно также как отличались домашние и дикие животные между собой. Для Дарвина эти различия в первую очередь продемонстрировали значение культурного превосходства, но никак не расовую неполноценность. В отличие от его учёных друзей, теперь он думал, что не существует непреодолимой пропасти между человеком и животными. Через год эта миссия была заброшена. Огнеземелец, которого назвали Джимми Буттон (англ. Jemmy Button), стал жить так же, как и другие аборигены: у него была жена и не было никакого желания возвращаться в Англию.
В Чили Дарвин стал свидетелем сильного землетрясения и видел признаки, указывающие на то, что земля только что поднялась. Этот поднявшийся пласт включал раковины двустворчатых моллюсков, которые оказались выше уровня высокого прилива. Высоко в Андах он также обнаружил раковины моллюсков и несколько видов ископаемых деревьев, которые обычно растут на песчаных пляжах. Его теоретические размышления привели его к тому, что, подобно тому как при поднятиях суши раковины оказываются высоко в горах, при опусканиях участков морского дна океанические острова уходят под воду, и при этом вокруг островов из береговых коралловых рифов формируются барьерные рифы, а затем атоллы.