因为在航行途中达尔文对于生物学并没有任何重要的灵感，他很有可能对于他送回家的标本的仔细检查只是大量坚实但并不具有革命性的工作。然而很快就有迹象表明，他的研究或许比预期的更加让人兴奋——他曾把他的部分标本送去给专业人士分析，他们的很多报告都让他惊讶不已。
比如，一组化石显示出“生物续替定律”——即灭绝的南美洲哺乳动物被同一种类的其他动物取代。在另一篇关于加拉帕戈斯群岛知更鸟的报告中，他得知总共有三种知更鸟，而不是他之前认为的四种，它们是岛上特有的品种，就像在那里发现的巨型海龟一样。（关于他是因为观察到生活在加拉帕戈斯不同岛屿上的雀类喙的不同从而受到启发的故事是假的。他的确带回了雀类标本，但他没有接受过鸟类学的训练，并且实际上他把它们和雀类、鹪鹩、蜡嘴鸟，以及黑鹂的近亲混为一谈——而且它们也并没有按照岛屿来分类。） 专家报告中最惊人的地方或许和一件美洲鸵，或者南美洲鸵鸟的标本有关，达尔文和他的团队在意识到它可能具有的重要意义之前把它煮熟吃了，只把它的残骸运回了家。那件标本最后被证明属于一个新物种，它和普通美洲鸵一样拥有自己主要的活动范围，但同时又会和普通美洲鸵在一个中间地带相互竞争。这与之前流传下来的传统智慧相悖，这种智慧认为每个物种都会充分利用它独有的栖息地，不会留下模糊地带来让类似的物种和它竞争。
随着这些令人兴奋的研究陆续出现，达尔文自己对于上帝在创造物种中扮演的角色的想法也在不断地发生变化。一个主要影响是查尔斯·巴贝奇，他在剑桥大学担任牛顿之前的职位——卢卡斯数学教授，并以发明出了机械计算器而闻名。巴贝奇举办了一系列由自由思想家参加的社交聚会，他自己还写了一本书，指出上帝通过物理定律而不是命令和奇迹发挥作用。这种观点为宗教和科学的共存提供了最有前景的基础，很吸引年轻的达尔文。
达尔文逐渐开始相信物种不是上帝为把它们纳入某种宏大计划而设计出的一成不变的生命形式，而是以某种方式改变自己以适应它们的生态圈。到1837年夏天——也就是贝格尔号结束航程的那一年——达尔文已经变成了一个进化论观点的皈依者，尽管他距离提出自己特别的理论依然还很遥远。
很快达尔文就开始抵制人类是高等的的观念，或者实际上有任何动物会比另一种动物更高等的观念，他现在坚信每个物种都是同样地不可思议，都完美地或近乎完美地符合它的生存环境以及它在其中的角色。
对于达尔文来说，这些没有一样可以把上帝的作用排除出去：他相信上帝设计了掌控繁殖的定律，允许物种按照需求去改变自己从而适应环境的变化。
如果上帝创造了可以让物种变得与环境相适应的繁殖定律，那这些定律是什么呢？牛顿通过他的运动数学定律来理解上帝关于物理宇宙的计划；因此，达尔文也这么做了——至少刚开始是这样——去寻找进化的机制，他认为它可以解释上帝关于生命世界的计划。
和牛顿一样，达尔文开始把他的想法和观点记录在一套笔记本中。
他分析在旅途中观察到的物种和化石之间的关系；他在伦敦动物园研究一只黑猩猩、一只猩猩以及猴群，记录下它们类似人类的情绪；他研究鸽子、狗和马的饲养员的工作内容，思考他们的“人工选择”方法是如何让动物的特征发生这么大的变化的；并且他还以一种宏大的方式来推测进化是如何对形而上学问题以及人类心理产生影响的。接着，在1838年9月左右，达尔文读到了T. R.马尔萨斯广受欢迎的《人口原理》。这本书让他走上了一条最终发现进化发生过程的道路。
马尔萨斯写的这本书并不让人感到愉悦。在他看来，痛苦才是人类自然和最终的状态，因为人口增长必然会导致对食物和其他资源的激烈竞争。他推断道，由于土地和生产力的限制，这些资源只能以1，2，3，4，5等系列数字“算术地”增加，而每一代人口的数量会按照1，2，4，8，16等级数增长。
今天我们知道一只乌贼一季可以产下3 000枚卵。如果每一枚卵都长成一只乌贼并继续繁殖，到第七代时乌贼的总量可以填满一个掏空的地球；在不到30代的时间，光它们产下的卵就可以填满看得见的宇宙空间。
达尔文并没有那个特别的数据，他也不擅长数学，但他有充足的理由意识到马尔萨斯设想的情况不会发生。相反，他推理道，在自然产生的数量庞大的卵和后代中，竞争只会让极少数——平均来说，那些最能适应的——存活下来。他把这个过程称为“自然选择”，以强调它与饲养员实施的人工选择之间的差别。
后来，达尔文在他的自传中描述了他的顿悟：“它立刻让我想到在这些环境条件下，有利的变化会倾向于被保留下来，而不利的变化则会被消灭。”但新观点很少会那么突然地就从发现者的脑子里冒出来，或者完全成型，达尔文的描述似乎是对他后知后觉的幸福曲解。他当时保留的笔记本暴露了一个不同的故事：最初他只是嗅到一种观点的一丝气息，在他把这个观点完全理解清楚并付诸笔端之前，还需要好多年的时间。
自然选择之所以需要一些时间来发展，一个原因是达尔文认识到淘汰每一代中不适应的个体或许会加强一个物种的特征，但它不会创造出新物种——那种和原来的物种如此不同以至于它们无法再进行交配和繁殖有生育能力的后代的个体。如果想让这种情况发生，剔除的现有特征必须要靠一个新特征来源弥补。达尔文最终推论说这来自纯粹的偶然情况。
比如，正常情况下斑马雀的喙从浅白到深红颜色不一。通过精心繁育，人们或许能够培育出偏向一种或另一种颜色的群体，但一只长有新颜色喙的斑马雀——比如蓝色——只能在我们现在称之为基因突变的情况下才会发生：基因结构的偶然改变导致生物产生一种全新的变异形态。
现在达尔文的理论可以最终定型了。随机变化和自然选择一起创造了具备新特征的个体，只要这些特征是有利的，繁殖概率就会增加。这样的结果就是，和饲养员繁育带有他们所需特征的动物和植物一样，大自然也会创造能很好地适应生存环境的物种。
意识到随机性发挥的作用代表着科学发展史上一个重要的里程碑，因为达尔文发现的这种机制使进化论很难再与任何神圣设计的重要观点和解。当然，进化的概念本身就与《圣经》中的创世故事相抵触，但现在达尔文的特别理论走得更远，使人们很难再为亚里士多德和传统基督教观点做辩护，这种观点认为事件的发展受目的的驱动，而不是中立的物理定律。从这个方面讲，达尔文对于我们理解生命世界所做的贡献就和伽利略以及牛顿曾经对非生命世界所做的贡献一样：使科学从宗教质疑和古希腊传统中摆脱出来。
和伽利略以及牛顿一样，达尔文是一个有着虔诚宗教信仰的人，因此他的进化理论给他的信仰体系带来了冲突。他试图通过在它们各自的背景下同时接受神学和科学观点来避免冲突，而不是积极地试着去调和它们。然而他还是无法完全回避这个问题，因为在1839年1月他娶了他的表姐埃玛·维奇伍德。埃玛是一个虔诚的基督徒，为他的观点感到不安。“当我死后，”他有一次给她写信说，“我知道我曾经因为这个……痛哭过很多次。”尽管他们之间存有不同观点，感情却非常深厚，他们终其一生都是一对恩爱夫妻，养育了10名子女。
安妮·达尔文（1841—1851）
尽管关于进化论与基督教的调和问题已经有了很多论述，但正是几年后达尔文第二个孩子安妮在10岁时的离世最终摧毁了达尔文对于基督教的信仰，孩子夭亡对他信仰产生的影响和他在进化论上的工作对他信仰产生的影响一样重大。安妮的死因并不明确，但高烧和严重的消化问题让她在临死前忍受了超过一周的痛苦。达尔文之后写道：“我们失去了家中的欢乐，年老时的安慰——她一定知道我们有多么爱她；啊，她此刻一定知道我们现在会，也将永远会深深地、温柔地爱她那亲爱的欢乐的脸庞。” 这对夫妻的第一个孩子在1839年出生。从那时起，一种（直到今天依然）神秘的疾病开始让只有30岁的达尔文感到阵阵乏力。在他余下的人生中，他从家庭和科学工作中获得的快乐将被这种频繁出现的痛苦的无力感打断，这种无力感有时候甚至让他连续几个月都无法工作。
达尔文的症状无处不在，就像《圣经》里的瘟疫一样：胃痛、呕吐、肠胃胀气、头痛、心悸、颤抖、歇斯底里地痛哭、耳鸣、乏力、焦虑以及抑郁。达尔文尝试过多种多样的治疗方法，有的甚至是他在绝望的情况下违背本意接受的：用凉的湿毛巾用力按摩、洗脚、冰敷、冰冷的淋浴、使用电击带进行流行的电疗法、顺势疗法，以及那种维多利亚标准的铋剂——全都不起效。于是这个在20岁时还是一个粗犷的冒险家的人到30岁时已经变成一个离群索居的虚弱病人。
因为新出生的孩子、他的工作以及疾病，达尔文一家开始放弃社交聚会并退出了原来的生活圈子。达尔文的生活变得平静和一成不变。 1842年6月，达尔文最终完成了一本35页的进化理论概要；那年9月，他说服父亲借钱给他在肯特郡的唐恩买下一块15英亩的隐居地。唐恩是一个大约有400名居民的教区，离伦敦16英里。达尔文把它称为“世界的最边缘”。 他在那里的生活就如同他曾经打算过的一种富裕的乡村牧师的生活一样，到1844年2月，他利用这段宁静的时间把那个概要扩充为一本231页的手稿。
达尔文的手稿更像是一份科学遗嘱，而不是一本为了能够立即出版发行的著作。他在一封信里将它托付给埃玛，万一他“猝死”的话埃玛就可以读到它，由于他的疾病，他担心这将为时不远。在这封信里他告诉她这是他“最郑重也是最后的请求”，并嘱咐埃玛在他死后将这本手稿公之于众。“如果它可以得到哪怕只有一个有资格的鉴定人的认可，”达尔文写道，“它在科学发展史上就是重要的一步。” 达尔文很有理由在他的有生之年不发表他的观点。他已经在科学界最高圈子里获得了显著的声誉，但他的新观点必然会招致批评。并且，他还有很多牧师朋友——更不用说他的妻子了——他们都支持目前的神创论。
达尔文犹豫的理由在那年秋天似乎得到了印证，当时有人匿名发表了一本名为《自然创造史的痕迹》的书。这本书并没有提出一个有效的进化理论，但它的确把多个科学观点编织在了一起，包括物种的演变，它成为一本国际畅销书。然而，宗教机构痛斥这位匿名作者。比如，一位评论家指控他“毒害了科学的基础，削弱了宗教的根基”。科学界的某些人可并不怎么宽容。科学家一直都是一个粗暴的群体。即使到了今天，在便捷的通信和旅行比以往任何时候更能促成更多的合作和共同研究的情况下，提出一种新观点也会让你遭到粗鲁的抨击，因为科学家除了对自己的研究主题和观点充满热情以外，也会狂热地反对他们认为被误导的，或者只是无趣的研究工作。我认识这么一位著名的物理学家，当他认为一位访客讲述的关于他在调查研讨会上的工作不值得关注时，他就会拿出一份报纸，完全摊开，开始看报，毫不掩饰他的无聊。另一位喜欢坐在靠近房间前面的位置，在会谈正在进行时站起来发表他的负面意见，然而转身离开。但我见过的最有意思的展示来自另一位著名的科学家，许多代科学家都非常熟悉他，因为他编写了标准的电磁学研究生教材。
这位教授坐在一个只摆放着十来排椅子的讲座会场的前面，把他的塑料咖啡杯高高举过头顶，然后轻微地来回转动，这样那些坐在他后面的人——而不是他前面一脸茫然的演讲者——就可以看到他用大写字体写在杯子上的信息：胡说八道！接下来，在演讲者完成演讲后，他站起身直接走了出去。讽刺的是，他演讲的主题是“粲（charm）–反粲粒子的光谱学”。尽管“charm”这个词在这里是一个技术术语，和它平常的意思（魅力）无关，但我认为我可以很公正地说这位教授属于“anticharm”（没有魅力）这个类型。然而，如果那就是人们对于一个神秘研究领域里提出的不确定观点的态度的话，你就能想象那些挑战人们普遍看法的“重大观点”将会遭遇到的暴行了。
事实是，尽管宗教的拥护者对于科学新观点的反对已经够多了，但科学家们自己也有一种强烈的反对传统的倾向。这通常是一件好事，因为当一个观点具有误导性时，科学家的怀疑主义就会起到阻止这个领域向着错误方向继续发展的作用。并且，当看到正确的证据时，科学家也会比常人更快地改变看法并接受奇怪的新概念。
尽管如此，改变对于我们所有人来说都是很难接受的，那些成名的科学家投入整个职业生涯来推动一种思维方式向前发展，对于与之相悖的模式的反应有时候是相当负面的。结果，当你提出一种让人吃惊的科学新理论时，你就会遭遇到被别人抨击为不明智、具有误导性或者仅仅是论证不充分的质疑。世上并没有多少万无一失的培育创新的方法，但扼杀创新的一种方法就是让它在挑战公认的智慧时感到不安全。尽管如此，革命性的发展通常就是在这种氛围下完成的。
就进化论来说，达尔文有太多需要担心的东西，比如，他的朋友亚当·塞奇威克对于《痕迹》这本书的反应就证明他的担心不无道理。塞奇威克是剑桥大学一位卓越的教授，曾给达尔文上过地理课。塞奇威克把《痕迹》称为一本“肮脏的书”，并写了一篇85页的言辞激烈的评论。
43 在让自己受到这样的攻击之前，达尔文还需要收集大量权威的证据来支持他的理论。这种努力将占用他接下来的15年时间，但最终，他将因此而获得成功。
