1872年にダーウィン、フィリップ・スレーター、アルフレッド・ニュートンといった友人たちをせきたて動物の地理的分布の研究を開始した。最初はほとんど前進することができなかった。動物の分類法は非常に多く、しかも流動的であった。分類学に関する新しい研究を出版した後、1874年から本格的に調査を始めた。スレーターが発展させた鳥類の分類システム（種の分布を記述するために地球を6つの地理区に分けていた）を拡張し、ほ乳類、爬虫類、昆虫を分類し、現在でも用いられている動物地理区の基盤を作った。そしてそれぞれの動物地理区の中で現在と過去に動物の分布に影響を与えたと思われるあらゆる要因について議論した。たとえば陸橋の形成と消失（例えば現在南北アメリカを繋いでいるもの）や氷河の増大などである。彼は山の高さや海の深さ、地域の植物の特徴など動物の分布に影響を及ぼしたと思われる要因を記した地図を作った。また既知の動物の属と科をまとめてそれらの地理的分布をリストにした。旅行者がどんな動物がどこで見つかるかを学びやすくするためにテキストが整理された。その結果、1876年に二巻本の大著『動物の地理的分布』が出版され、これはその後80年にわたって動物地理学の権威あるテキストとなった1880年にはその続編となる『島の生命』を出版し、島の動植物について詳述した。ウォレスは島を異なる三つのタイプに分類した。大洋島はガラパゴス諸島やハワイ諸島などである。これは中央海嶺にできており、過去にどこかの大陸に属したことはない。そのような島は地上棲ほ乳類と爬虫類の欠如が特徴である。渡り鳥と人間によって持ち込まれる生物を例外として、その島に住む生物は小動物の偶然の到達とそれ以降の進化の結果である。次に大陸島をグレートブリテン島のように現在でも大陸の一部であるとみなせる場合と、マダガスカル島のように最近になって大陸から分かれた島に区別し、その違いが動植物相にどのような影響を与えるか議論した。そして隔離がどのように進化に影響を及ぼすかと、結果的にそれがどのように動物の種類を維持することになるのかについて述べた。また気候の変化、特に氷河期が島の動植物相に与える影響についても論じた。『島の生命』は出版時に非常に重要な研究と見なされ、科学界での広い議論を引き起こした。
進化学史ではほとんどの場合、ウォレスはダーウィンに自説を発表させる「刺激」となったと言及されるだけであった。実際には、ウォレスはダーウィンとは異なる進化観を発展させており、彼は当時の多くの人々（特にダーウィン自身）から無視することのできない指導的な進化理論家の一人と見なされていた。ある科学史家はダーウィンとウォレスが情報を交換し合って互いの考えを刺激し合ったと指摘した。ウォレスはダーウィンの『人間の由来』でもっとも頻繁に引用されているが、しばしば強く同意できないと述べられている。しかしウォレスは残りの生涯を通して自然選択説の猛烈な支持者のままであった。1880年までに生物の進化は科学界に広く受け入れられていた。しかし自然選択を進化の主要な原動力と考えていた主要な生物学者はウォレスとアウグスト・ヴァイスマン、ランケスター、ポールトン、ゴルトンなどごく少数であった。1889年に『ダーウィニズム』を出版し、自然選択に向けられる科学的な批判に応えた。
一方で蝦夷地の本格的な寒さが忍び寄り、8月28日には初雪が降った。10月（太陽暦11月）には最初の病人が発生する中、10月26日には松前からの早飛脚が医学館製の薬「加味平胃散」と酒などを差し入れた。米や味噌など食料の備蓄は豊富だったものの、11月14日（太陽暦12月12日）以降には「北国」の津軽でも経験したことの無いような寒さに苛まれた。陣屋は警備を最優先して海を臨む立地に建設されていたため北からの季節風をまともに浴び、そこで暮らす藩士たちは綿入れを2枚重ねにして何とか耐え忍ぶ状況だった。越冬用の薪は急遽伐採した生木だったため、燃やせば大量の煙を発して目を蝕む。そのうえ、この時点で海は季節はずれの流氷に閉ざされていた。新鮮な魚を得ることも不可能なうえ、氷の原を渡ってロシアが攻めてくる恐怖が藩士を襲う。保存食のみで生鮮な食材のない食生活はビタミンを欠き、脚気による水腫を患う者が続出する。11月25日（太陽暦12月23日）には最初の病人だった富蔵が死亡し、以降は26日、29日、12月1日、5日と数日に1人の割合で病死者が続出、12月8日には4人が死亡した。以降も病死者は絶えず、炊事、水汲み、薪集めなど日常の雑事をこなす下役も病に伏せる中、症状の軽いものは身分の別なく雑事や病人の看病に奔走するようになる。そんな中でも、12月28日にはトドマツの枝とクマザサを組み合わせて松飾を作り、新年の準備をしている。年明けて文化5年（1808年）、年始の礼を交わす中でも死者は続き、元日から4日までに5人が死亡。5日から29日までに22人が死亡。以降も死者は絶えず、3月2日には計6人が死亡した。宗谷での養生願いが聞き届けられ、シャリを離れる者も少数ながらいたが、みな道中の網走や常呂で息絶えている。4月2日（太陽暦4月27日）になって海を閉ざしていた流氷がようやく去り、生存者たちは船便が通う状況になったことに希望を繋ぐ。本格的な春の訪れとともに外部から早飛脚なども訪れ、生存者たちは次々と出立を始めた。6月には袷で過ごせるような暖かさとなった。そして閏6月13日（太陽暦8月4日）に死亡した足軽目付・桜庭又吉を最後の死者とする。閏6月24日、シャリ陣屋の沖に450石積みの交代船・千歳丸が現れる。陣屋に残っていた者は米や武器類をまとめて撤収の仕度をするとともに、死者72人の氏名をすべて記したヒノキ製の墓標を建立した。