En diciembre de 1831 se unió a la expedición del Beagle como naturalista y geólogo. Leyó "Principios de geología", de Charles Lyell, y, en la primera parada en tierra, en la isla de Santiago, encontró en el uniformismo de Lyell una clave para la historia geológica del paisaje. Darwin descubrió fósiles similares a armadillos gigantes, y tomó nota de la distribución geográfica de las especies modernas con la esperanza de encontrar su «centro de creación». Los tres misioneros fueguinos que la expedición debía devolver a Tierra del Fuego eran amables y civilizados, pero sus familiares en la isla a Darwin le parecieron «salvajes miserables y degradados», y ya no veía una brecha insalvable entre los seres humanos y los animales. A medida que el Beagle se acercaba a Inglaterra en 1836, señaló que las especies podrían no ser inalterables.