В декабре 1831 года он присоединился к экспедиции на корабле «Бигль» в качестве джентльмена-натуралиста и геолога. Он прочитал «Основные начала геологии» Чарлза Лайелла и во время первой остановки на берегу Сент-Джаго, обнаружил, что униформизм Лайелла является ключом к геологической истории ландшафтов. Дарвин обнаружил окаменелости, напоминающие огромных глиптодонов, и отметил географическое распределение современных видов в надежде найти их «центр творения». Три миссионера огнеземельца, которых экспедиция вернула на Огненную землю, были дружелюбными и цивилизованными, однако Дарвину их родственники на острове казались «несчастными, деградировавшими дикарями», после чего он больше не видел непреодолимой пропасти между людьми и животными. Когда «Бигль» приблизился к Англии в 1836 году, он понял что виды не могут быть фиксированными.