Lyell fu un grande amico di Charles Darwin, amicizia che durò per tutta la vita, influenzando profondamente entrambi. Darwin lesse il primo volume dei "Principi di geologia" durante la prima parte del suo celebre viaggio sul Beagle, rimanendo molto colpito dalla teoria espressa da Lyell di mutamenti graduali nella formazione della superficie terrestre, teoria di cui durante il viaggio trovò alcune conferme. Al suo ritorno, nel 1836, Lyell divenne uno dei suoi primi riferimenti, trovandovi appoggio e sostegno, che divennero col tempo stretta amicizia. Per lungo tempo comunque Lyell non accettò la proposta di una legge evolutiva per gli organismi viventi, avendo precedentemente rifiutato anche quella di Lamarck, ma quando nel 1858 Darwin si vide costretto a scegliere se divulgare la sua teoria, per la comparsa del giovane collega Alfred Wallace, che aveva sviluppato indipendentemente una teoria quasi identica, fu Lyell a convincere l'amico a non farsi da parte, presentandola personalmente per la prima volta ad un consesso scientifico (la Linnean Society) in rappresentanza dei due meno famosi colleghi. Pur accettando parzialmente la teoria darwiniana, che incluse nel suo "Antiquity of man" del 1863, Lyell mantenne sempre un atteggiamento moderatamente critico verso i suoi aspetti più rivoluzionari.