他聽任自己的各種想象隨意馳騁。1838年十月的一天，他十分困倦地坐在椅子上，順手從書架上拿起一本《人口論》來隨便看看。這是英國神甫、資產階級經濟學家馬爾薩斯(1766-1834)為統治階級和殖民主義者服務的反動著作。馬爾薩斯認為人口是按照幾何級數(1、2、4、8、16……)增長的，而食物(主要是動植物)卻是按照算術級數(1、2、3、4、5……)增加的，因此出現“人口過剩”的現象。在他看來，這種“人口過剩”的問題是一種自然的、永恒的規律，隻有通過貧困、饑餓、疾病、獨身生活，甚至戰爭，才能夠得到解決。
馬爾薩斯認為，資本主義製度下勞動人民遭受災難、饑餓和貧窮的根源，不是資本主義製度本身和剝削階級的殘酷剝削，而是因為勞動人民入口太多。因此，剝削階級過著花天酒地的生活，勞動人民受到貧窮和疾病折磨以致死亡，都是天輕地義的事情。這種把一切社會弊病都歸結為‘人口過剩”的理論，是公開為資產階級殘酷剝削無產階級和其他勞動階層進行辯護的理論，直接掩蓋了資本主義製度的罪惡，從根本上否定了階級鬥爭、否定了一切社會革命的必要性。
達爾文隻是為了消遣，沒有也不可能深刻悟出這些道理來。他隨意地翻了一頁又一頁。忽然下麵幾行字引起了他的注意：
自然，用最濫費最自由的手，在動物界、植物界撒布種子。但是育成這種生命種子所必要的場所和營養，它卻給得比較吝嗇。這地上含有的生命的芽，如果能夠有充分的食物、充分的場所供它繁殖，幾千年以後就會充塞幾百萬個世界了。但是自然法則的必然性將把這種生物限製在一定的界限裏。植物的種類和動物的種類完全處在這種限製的大法則之下……
達爾文隻怕自己沒有看清楚，又認真地看了一遍。雖然馬爾薩斯在這裏並沒有作出任何考證，但是達爾文自己長期觀察所積累的事實卻和這幾行字十分吻合，於是他在書裏繼續尋找類似的內容。他又想起自己曾經寫到過的，關於巴姆巴斯草原地區的動物由於幹旱而大批死亡的那些事實。
他翻開《貝格爾艦航行日記》的底稿，上麵記著：
在1827年到1830年期間，因為雨下得非常少，溪水幹涸見底，整個地區看來很象塵土飛揚的鄉村大道。這種情形在布宜諾斯艾利斯一省的北部和聖非的南部一帶特別顯著，大批飛鳥、野獸、牛和馬都由於缺少食物和水而死亡了。
他又想到幾個月以前，自己曾經在日記裏寫過的一段話：
至於說到死亡，我們很容易看到，鴕鳥的變種由於不適應惡劣的條件而滅亡，相反，它們處在良好的條件下就會大量地繁殖起來。根據上述情況，可以得出這樣的結論，生物在有限的土地上繁殖，在變化著的條件下發生經常性的變異，由於對這些條件的適應而得到發展。可見，物種的滅亡是對條件不適應的結果。
達爾文長期以來百思不解的問題——自然界究竟是什麼力量在起選擇作用，猛一下省悟了。他說：
1838年十月，就是我開始作係統調查的十五個月以後，我偶然閱讀馬爾薩斯《人口論》來作為消遣，並且由於長期不斷地觀察動物和植物的習性，我具備了很好的條件去體會到處進行著的生存鬥爭，所以我立刻覺得在這樣的環境條件下，有利的變異將被保存下來，不利的變異將被消滅。它的結果大概就是新種的形成。我終於得到了一個可以用來指導工作的理論。
達爾文眼前立刻展現出一幅到處都在進行生存鬥爭的畫麵。在自然界裏，植物結出了丈量的種子，昆蟲繁殖了大量的幼蟲，而相當一部分種子和幼蟲都被鳥類吃掉了。可是，鳥類的卵和幼雛又常常被鷙鳥或猛獸所殘食。兩隻犬類動物在饑餓的時候，為了爭奪食物而進行拚死的搏鬥。生長在沙漠邊上的植物，它們為了抗旱也在進行生存鬥爭。一株植物一年結出一千顆種子，而平均隻有一顆種子可以長成。更確切地說，植物的種子是在和已經鋪滿地麵的同種或者別種植物鬥爭中成長的。
達爾文認為，在複雜的生存鬥爭中，對生存有利的變異，就會使物種有比較好的生存和發展的機會，而對生存有害的變異，卻會使物種難於生存，甚至滅絕。為了和“人工選擇”相對應，他把這種對有害變異個體的淘汰和對有利變異個體的保存，稱做“自然選擇”或者“適者生存”。自然選擇每日每時地在自然界檢查著生物最微小的變異，它象人工選擇一樣在起著汰劣留良的作用。後來他說：
如果有利於任何生物的變異一旦發生，具有這類性狀為個體就會在生存鬥爭中得到最好的保存機會。根據遺傳原理，它們將會產生具有相似性質的後代。這項保存原理或者適者生存，我稱它做“自然選擇”。它使每個生物對於有機的和無機的生活條件的關係得到改進。因此，在許多場合，這種結果必定是生物體製的一種進步。
可是，達爾文在把自己多年觀察結果進行理論概括的時候，沒有考慮到馬爾薩斯《人口論》是抄襲別人的資料拚湊成的。正像馬克思(1818-1883)所說的：“他這本書最初的版本不過是對笛神福、詹姆斯·斯圖亞特爵士、唐森、富蘭克林、華萊士等人的小學生般膚淺的和牧師般拿腔做調的剽竊，其中沒有一個他獨自思考出來的命題。比如富蘭克林(1706—1790)曾經看到，植物和動物的再生能力是無限的，隻是由於食物的跟製，才使它們的繁殖受到，製約。湯生德(唐森)也看到，當山羊運送到某個島上的時候，由於有了豐富的牧場，繁殖很快，後來山羊越來越多，牧場不夠了，盡管山羊還在繼續繁殖，可是它們當中的弱者就死亡了，隻有強者能夠生存下來。這些都被馬爾薩斯竊做例證。達爾文沒有認識到，自己是從富蘭克林和湯生德等人的思想得到啟發的。另外，達爾文也沒有想到，他在動物界和植物界發現了幾何級數的增長，正好駁斥了馬爾薩斯關於人類食物(主要是動物和植物)隻能夠按照算術級數增長的說法。因此，達爾文在總結生物進化規律的時候，還天真地說自已是在讀了馬爾薩斯《人口論》以後，結合自己的實踐，才得到了一個可以作為科學研究根據的學說。他後來甚至說，全世界一切生物的生存鬥爭現象，“是生物按照幾何級數繁殖所造成的必然結果，這是馬爾薩斯的學說應用到整個動物界和植物界。因為每種生物產生的個數，遠遠地超過了它們所能生存的個數，所以常引起生存鬥爭。”
達爾文這個失誤使後人產生了誤解，甚至利用它來反對進化論。
5.《物種起源》問世
1839年1月，達爾文和他的小表姐愛瑪結婚了。他們共同生活了43年，生了10個兒女，家庭生活幸福美滿。但是，由於他們是近親，對生育的兒女的智力有很大影響。
結婚以後，達爾文繼續工作，他開始寫“物種起源”的筆記，並開始搜集動植物在家養情況下所發生的一切變異事實。他發現各種家養動植物的優良品種，不是上帝造出來的，而是人民群眾經過世世代代人工選擇的結果，說明在人工選擇下，物種能夠發生變異。
接著，他又研究了自然條件下的變異，那是“適者生存”、“優勝劣汰”的結果。
從1842年開始，達爾文正式寫《物種起源》的提綱，寫了《1842年概要》，後來又寫了《1844年概要》，其中列舉了很多事實來證明物種是變異的，而他的生物進化論的精華就是自然選擇。
由於過度勞累，嚴重的心悸、頭暈，使達爾文不能堅持工作了。
為了達爾文的健康，愛瑪陪達爾文到鄉下去住了一個月。經過一個月的休養，達爾文恢複了健康。他該繼續工作了。
然而，達爾文並未逃脫疾病的折磨，他的後半生都是在疾病的困擾中度過的。可他並未因此停止工作。幸運的是，達爾文有一位溫柔體貼的妻子，時刻在照料著他的健康。
達爾文花了近10年的心血準備《物種理論概要》。
1854年9月起，達爾文開始花全部精力研究物種起源問題，並進行了一些必要的觀察和實驗。他從愛好養鴿的人培養出不同的品種的事實受到啟發，對養鴿子發生了濃厚的興趣。在給表兄福克司的信中請求他幫助觀察—下雛鴿的尾羽在什麼年齡才充分長到可以計數的程度，以證明他物種演變的觀點。福克司十分支持達爾文所進行的工作，給他送來了一些剛出生一個星期的小鴿和供研究用的老鴿。後來，達爾文還參加了兩個養鴿學會，結識了一些養鴿專家。通過實踐，他觀察到鴿子身上特別鮮明地表現出亞種和變種的多樣性，使他更加相信選配供雜交用的種畜的意義。更加專注地對鴿子進行詳細的研究工作。此時，他閱讀了許多有關鴿子方麵的大量舊著作，並同著名的家禽專家捷格特邁耶爾就很多細小問題和瑣事進行了頻繁的書信來往，進一步探討家禽變異的問題。
達爾文不光對鴿子一類家禽感興趣，而且還親自開辟了一塊6平方米的小小“種子植物園”，對植物進行仔細觀察。他在這裏注視每一棵從種子中生出來的幼芽的命運。大量的幼苗對他產生了強烈的印象，而更強烈的印象是大量死亡的幼苗。經過仔細觀察，這些幼苗都是被蝸牛弄死的。在慕爾公園，達爾文認真觀察了長有青鬆的山丘那些被圍起來的和未被圍起來的地段之間的差別。在被圍起來的放牧地段上的一群鬆樹周圍，長出了很多小樹，就好像是有意被人栽在那兒的。而在未被圍起來的地段上，什麼都沒有，找不到一棵小樹。但是，當他走到跟前時，在那裏找到了幾千棵全都比帚石南要矮的鬆樹，因為牲畜經常把這些樹尖啃光。研究它們以後，他深信，這些3英寸高的小鬆，據年輪判斷卻在25年以上，這一觀察結果，被達爾文作為生存鬥爭複雜性最好的例證寫進了《物種起源》的書中。
雖然已經擁有大量的事實，但達爾文仍然不停地搜集和實驗，他向凡是與自己有通訊聯係的人提出各種各樣的問題。在思索細小生物身上表現的返祖特征時，他請朋友幫助提供各種品種的馬、驢等背上的黑條紋和肩上的橫向條紋的事實，為了要解決大海是不是使動物植物分遷的真正不可克服的障礙問題，達爾文決定研究植物的種子和動物的卵在海水裏是否會飄流，它們在鹽水裏究竟能活多長時間，以便證明在被大海隔開的一些地方有某些相同植物存在的根本原因。他把萵苣、蘿卜、白菜、山萵苣、胡羅卜、芹菜和洋蔥的種子統統裝在放鹽水的瓶子裏。過了一段時間，盡管水發臭了，可是所有這些種子，除了部分白菜籽外，都長得非常好。雖然許多種子很好地經受了鹽水的浸泡，但是很快就被浸透而下沉。這種情況使達爾文大失所望，他覺得以前自己所下的功夫都是徒勞的，純粹是自找麻煩。