達爾文大學畢業時，正是英國即將走向全盛的時期。當他結束對北威爾士的地質考察，回到施魯斯伯裏的家中時，他收到了亨斯洛教授的一封信。信上說，英國政府要派一艘“貝格爾”號軍艦進行環球航行，艦長需要一位自然科學家同行。亨斯洛教授推薦他參加這次航行。父親對此表示強烈反對。
達爾文隻好去求助父親所敬重的舅舅喬賽亞為他說情。在喬賽亞的勸說下，父親終於同意了他的請求。
1831年12月27日“貝格爾”號軍艦在做好充分的準備之後，氣勢巍然地駛出德文港，向南美洲進發，開始了長久而艱難的環球航行。
這次航行具有非常重大的曆史意義。達爾文此次航行考察的計劃是研究地質學和無脊椎動物學。海上航行和陸上考察都是極其艱苦的。航行中，狂風的呼嘯聲，海濤的咆哮聲，軍官和水手們聲嘶力竭的喊叫聲，經常把他這個第一次參加遠航的人嚇得魂不附體。他遇到的最大威脅就是暈船的痛苦，這常常迫使達爾文不得不暫時中斷自己的工作。暈船將達爾文折磨得筋疲力盡，有時稍微動一下，就像要昏死過去那樣。正如他在給父親的第一封信裏所說的：“一陣陣的幹嘔太痛苦了，那滋味使我感到不是腸子就是胃撕裂了。”然而追求科學的美好理想始終在激勵著他，使他充滿堅強的信心，去戰勝各種困難。
達爾文的父親羅伯特醫生看起來嚴肅冷峻。
1832年2月28日，“貝格爾”號軍艦駛抵巴西，到南美洲大陸和附近的島嶼進行考察。他的足跡遍及巴西熱帶雨林、裏約熱內盧、馬爾多納多、薩爾瓦多、布宜諾斯艾利斯、火地島、智利和秘魯等地，曆時三年半。他爬高山、涉溪水、入叢林，過草原，搜集珍奇的動植物標本，挖掘古生物化石，曆盡千辛萬苦。他經常和同伴騎著馬在荒無人煙的地帶進行考察，並虛心地向當地居民請教。日曬雨淋，饑渴勞累，以及毒蛇猛獸和傳染病的威脅，都沒有使他畏縮不前。
達爾文的思想隨著考察的進展而不斷地向前發展。他開始認真思考“秘密中的秘密——新的生物在世界上初次出現的問題”。究竟是維護“物種不變”和“上帝創造萬物”的傳統觀念，還是尊重客觀事實，即物種在隨著氣候、環境的逐漸變化而不斷地發生變異？在達爾文頭腦中展開了激烈的思想鬥爭。
1835年秋天，“貝格爾”號軍艦抵達加拉帕戈斯群島，在這裏，達爾文采集到26個類型的陸棲鳥類。不久，航行到塔希提島和新西蘭，又經過澳大利亞橫渡印度洋，再繞過好望角，回到了大西洋。1836年10月，“貝格爾”號軍艦凱旋回國。達爾文回到施魯斯伯裏同闊別五年的家人團聚了。這次航行，決定了達爾文一生的事業。
達爾文回國後不久，在亨斯洛教授的介紹下，結識了著名的地質學家賴爾。他根據賴爾教授的建議，先在劍橋把考察中收集到的標本整理好，然後搬到倫敦，在大英博物館附近租了房間住下，用了兩年時間核對了航海日記中的全部記錄，聯係出版了《貝格爾艦航行中的動物學》，還發表了幾篇地質學論文。隨後，他便把主要精力投入到探索物種起源和生物進化問題上來。
達爾文發現一種古代動物化石與現在南美洲犰狳很相似這一期間，達爾文經常回想他所發現的一些事實，比如，在巴塔哥尼亞發現的年代久遠的動物化石，卻和今天的動物很相似；美洲大陸上的同種動物，從南到北，它們的形態逐漸不同；加拉帕戈斯群島的大多數生物都具有南美洲生物的特征，而群島各小島上的同種生物又多少有些不同。這些事實，有力地促使他產生了物種可變的思想，但是物種為什麼會變化，變化的規律是什麼，仍是個不解之謎。