yvan benzeri büyük memeliler, hipopotam benzeri bir otobur memeli ("Toxodon") ve armadillo benzeri dev bir zırhlı memeli ("Gliptodon") da vardı. Bu hayvanlar anatomik olarak, Darwin'in düşündüğü gibi Afrika hayvanlarına değil, Güney Amerika hayvanlarına yakındılar.

Darwin, Aralık 1836'da Güney Amerika kıtasının yükseldiğine dair bir bilimsel makale yazdı, ve Ocak 1837'de Lyell'ın da desteğiyle bu makalesini Londra Jeoloji Cemiyeti'ne sundu. Aynı gün, "Beagle" yolculuğunda topladığı kuş ve memeli örneklerini de Londra Zooloji Cemiyeti'ne sundu. Ornitolog John Gould, Darwin'in tanımlayamadığı ve değişik türlere ait olduğunu varsaydığı bir grup kuşun aslında birbirine çok yakın 12 yeni ispinoz türü olduğunu açıkladı. Darwin Şubat 1837'de Coğrafya Cemiyeti Konseyi'ne seçildi, ve bir ay sonra Cambridge'den Londra'ya taşındı.

Londra bilim çevrelerinde, hayatın ve canlı türlerinin kökeni sevilen bir tartışma konusuydu. Matematikçi ve filozof Charles Babbage'ın başını çektiği bir grup, Tanrı'nın Dünya'daki hayatı özel bir mucize aracılığıyla değil, doğa kanunları aracılığıyla yarattığını savunuyordu. Darwin'in Edinburgh Üniversitesi'nden hocası Robert Edmund Grant ve Dr. James Gully gibi bir grup bilim insanı ise türlerin birbirine dönüşebildiğini iddia ediyor, ama bu fikirleri yüzünden çoğunluk tarafından sapkınlıkla ve toplumsal düzeni bozmaya çalışmakla suçlanıyordu.

Mart 1837'de John Gould, Darwin'in farklı adalardan topladığı alaycıkuşların farklı türlere ait olduklarını açıkladı. İspinozları hangi adalardan topladığını not etmemiş olan Darwin, Kaptan FitzRoy'un notlarını inceleyince, Gould'un tanımladığı farklı ispinoz türlerinin de farklı adalardan geldiğini keşfetti. Nisan 1837'ye gelindiğinde Darwin, anakaradan göç edip farklı adalara yerleşen kuşların, zaman içinde bir şekilde değişiklik geçirip farklı türlere dönüştüklerini anlamıştı. Temmuz ayında, her zamanki günlüğünün yanı sıra, türlerin birbirine dönüşümüyle ilgili fikirlerini yazdığı gizli bir "B" günlüğü tutmaya başladı, ve bu günlüğün 36. sayfasına ilk kez bir evrim ağacı çizdi.

Darwin, bir taraftan türlerin dönüşümü üzerinde çalışırken, bir taraftan da "Beagle" günlüklerini yayıma hazırlıyor, ve Charles Lyell'ın fikirlerini destekleyecek bir Güney Amerika jeolojisi kitabı yazıyordu. Tüm bunların üstüne, bir de kendi getirdiği örnekler hakkındaki uzman görüşlerini içerecek geniş kapsamlı bir eser üzerinde çalışmaya başladı.

Sonunda bu yüksek çalışma temposuna dayanamayarak kalbinden rahatsızlandı. Eylül 1837'de doktor tavsiyesi üzerine çalışmalarına ara verdi ve Shaffordshire'da akrabalarının yanında kalmaya başladı. Kuzeni Emma Wedgwood da aynı evde kalıyor ve hasta bir akrabaya bakıyordu. Haziran 1838'e kadar Shaffordshire'da kalan Darwin, türlerin dönüşümü üzerindeki araştırmalarına devam ediyor, uzman görüşü almak için doğabilimcilerin yanı sıra çiftçiler ve güvercin yetiştiricilerine de danışıyordu. Bir taraftan da kuzeni Emma'dan hoşlanmaya başladığını fark eden Darwin, günlüğüne yazdığı notlarda evliliğin yararları ve zararlarını karşılaştırıyor, yarar hanesine "yaşlılıkta arkadaş olur ... köpekten iyidir" gibi notlar düşerken, zarar hanesinde "kitaplar için daha az para" ve "korkunç bir zaman kaybı" gibi sakıncaları sayıyordu. Sonuçta evlenmeye karar veren Darwin, babasına da danıştıktan sonra Temmuz 1838'de evlilik teklif etmek için Emma'ya gitti, ama teklifi yapmaya cesaret edemedi.
Araştırmalarına Londra'da devam eden Darwin, türlerin dönüşümü konusunda çok önemli gelişmeler kaydetti. Thomas Malthus'un "An Essay on the Principle of the Population" (Nüfus Prensibi Üzerine Deneme) adlı yazısı Darwin için önemli bir esin kaynağı oldu. Malthus bu yazısında insan nüfusunun aslında çok büyük bir hızla (her 25 yılda ikiye katlanarak) çoğalma potansiyeli olduğunu, ama hastalık, savaşlar ve açlık sayesinde nüfusun kontrol altında tutulduğunu anlatıyordu. Darwin, aynı prensibin tüm organizmalara uygulanabileceğini fark etti. Tüm canlı türleri, mevcut kaynakların izin verdiğinden çok daha fazla yavru üretiyor, yavrular arasında "zayıf" olanlar çok geçmeden ölüyor, "güçlü" olanlar ise hayatta kalarak yeni yavrular meydana getiriyor ve kendilerini "güçlü" yapan özellikleri yavrularına aktarıyorlardı. Böylece türler nesilden nesile değişerek çevrelerine daha iyi uyum sağlıyorlardı. Bu teorisini ilk defa 28 Eylül 1838'de günlüğüne yazdı.

Kasım 1838'de nihayet Emma'ya evlilik teklif eden Darwin, Ocak 1839'da evlendi. Aynı ay içinde, "Royal Society"'ye (Kraliyet Cemiyeti) üye olarak seçildi. Darwin çifti, evlilikten hemen sonra Londra'ya yerleşti.

Darwin, doğal seçilim fikrinin temelini atmıştı ama şüpheci meslekdaşlarını ikna etmek için çok çalışması gerektiğinin farkındaydı. Jeoloji Cemiyeti'nin Aralık 1838'deki toplantısında, evrim fikrini savunan eski hocası Robert Edmund Grant'e nasıl şiddetle karşı çıkıldığına bizzat şahit olmuştu. Teorisini destekleyecek kanıtlar bulabilmek için hayvan yetiştiricileri ile görüşmeye ve bitkiler üzerinde deneyler yapmaya devam etti. Mayıs 1839'da Kaptan FitzRoy'un "Beagle" raporu yayımlandığında, Darwin'in yazdığı kısım o kadar beğenildi ki, sonradan başlıbaşına bir kitap olarak basıldı.

1842 başlarında Darwin, Lyell'a fikirlerini açıklayan bir mektup yazdı. Her canlı türünün kendi başlangıcı olduğunda ısrar eden Lyell, jeoloji alanında müttefiki olan Darwin'in bunu inkâr etmesine çok üzüldü. Mayıs 1842'de Darwin'in mercan kayalıkları üzerine yazdığı eser yayımlandı, aynı sıralarda Darwin, doğal seçilim teorisinin bir "kabataslağını" kâğıda döktü. Kasım 1842'de Darwin çifti, Londra'nın stresinden uzaklaşmak için şehrin dışındaki "Down House"'a geçti. Ocak 1844'te fikirlerini botanist arkadaşı Joseph Dalton Hooker'a açan Darwin, kendisini "bir cinayeti itiraf ediyormuş gibi" hissediyordu ama Hooker Darwin'in teorisini beğendi. Temmuz'a gelindiğinde, Darwin'in "kabataslağı" 230 sayfalık bir deneme yazısına dönüşmüştü. Ekim 1844'te anonim olarak yayımlanan ve insan dahil tüm canlıların ilkel formlardan dönüşerek ortaya çıktığını savunan "Vestiges of the Natural History of Creation" (Yaradılışın Doğal Tarihinden İzler) adlı kitap, doğabilimciler tarafından yerden yere vurulunca Darwin teorisi konusunda ne kadar dikkatli olması gerektiğini bir kez daha anladı. Kitap, Londra orta sınıfından büyük ilgi gördü ve türlerin dönüşümü konusunu bir kez daha gündeme getirdi. Darwin 1846'da üçüncü jeoloji kitabını yayımladı, ve arkadaşı Hooker'la beraber deniz kabuklularıyla ilgili geniş kapsamlı bir araştırmaya başladı. 1847'de Hooker, Darwin'in doğal seçilim üzerine yazdığı uzun denemeyi okudu ve önyargıdan uzak tarafsız eleştiriler sundu, fakat bir taraftan da Darwin'in yaradılış fikrine karşı çıkmasını sorguladı.

1849'da uzun süredir kötü giden sağlığını düzeltmek umuduyla Malvern'de bir kaplıcaya giden Darwin, iki ay sonra kendini daha iyi hissetti. 1850 Haziran'ında çok sevdiği kızı Annie ciddi şekilde hastalanınca, kendi kronik kötü sağlığının kalıtsal olduğunu tekrar düşünmeye başlayan Darwin, Nisan 1851'de Annie'nin ölümüyle iyiliksever bir Tanrı'ya olan tüm inancını kaybetti.

Deniz kabuklularıyla ilgili çalışmalarının sonuçlarını 1851-1854 arasında yayımladığı bir dizi kitapla anlatan Darwin, 1853'te bu çalışmasından dolayı "Royal Society" tarafından madalya ile ödüllendirildi. Ayrıca bu çalışma, o zamana kadar jeolog olarak bilinen Darwin'in biyolog olarak da ünlenmesini sağladı. Darwin, deniz kabuklularıyla ilgili çalışmasında, belli bir fonksiyonu olan bir organın, değişen şartlar sonucunda ufak değişimler geçirerek fonksiyonunu değiştirebileceğine dair kanıtlar gözlemledi. Kasım 1854'te notlarına, ortak bir atadan gelen canlıların, "doğanın ekonomisinde ayrı ayrı yerlere" adapte olmaları sonucunda anatomik olarak birbirlerinden uzaklaşabileceklerini yazdı.

1856 başlarında Darwin, yumurta ve tohumların deniz suyunu aşıp canlı türlerini okyanus ötesine taşıyıp taşıyamayacağını inceliyordu. Arkadaşı Hooker canlıların değişmezliğine olan inancını sorgulamaya başlamıştı ama Darwin ve Hooker'ın ortak arkadaşı Thomas Henry Huxley evrim fikrine şiddetle karşı çıkıyordu. Lyell ise Darwin'in fikirlerini ilgiyle takip ediyor, ama sonuçlarını göremiyordu. Lyell, Borneo'da çalışmakta olan doğabilimci Alfred Russell Wallace'ın yazdığı bir makaleyi okuduğunda, Darwin'in fikirleriyle benzerlikler gördü ve Darwin'e bir makale yazması için baskı yapmaya başladı. Darwin Wallace'ı bir tehdit olarak görmediyse de bir makale yazmaya başladı. Makaleye ayrıntı üzerine ayrıntı eklemeye başlayınca, makaleyi "Doğal Seçilim" başlıklı uzun bir kitaba dönüştürmeye karar verdi. Kitap için Wallace dahil pek çok meslekdaşıyla yazışıyordu. Aralık 1857'de Wallace insanın kökenine değinip değinmeyeceğini sorduğunda, ona "önyargılarla çevrili bu konudan" uzak duracağını söyledi.

Haziran 1858'de Darwin kitabını henüz yarılamışken Wallace'dan bir makale aldı. Wallace bu makalede Darwin'in yıllardır kafasında sakladığı doğal seçilim fikrini anlatıyordu. Oldukça morali bozulan Darwin, makaleyi arkadaşları Lyell ve Hooker'a yolladı ve Wallace'ın seçeceği herhangi bir dergide yayımlanmasını rica etti. Darwin'in doğal seçilim fikrini Wallace'dan çok daha önce düşündüğünü ve uzun süredir bu konuda ayrıntılı araştırmalar yaptığını bilen arkadaşları, Darwin ve Wallace'ın makalelerinin 1 Temmuz 1858'de Linneaus Cemiyeti'nde ("Linneaean Society") ortak bir sunumda okunmasına karar verdiler. Darwin, kızıl hastalığından hayatını kaybeden küçük oğlunun cenazesi sebebiyle bu sunuma katılamadı.

Teori Linneaus Cemiyeti'nde pek ses getirmedi. Darwin sonradan Dublin'li bir profesörden duyduğu tek bir yorumu hatırlayacaktı: "Teoride yeni olan her şey yanlış, doğru olan her şey ise eski." Bunun üzerine Darwin, tüm enerjisini kitabını bitirmeye verdi, ve "On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or The Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life" (Doğal Seçilim ile Türlerin Kökeni, veya Hayat Mücadelesinde Ayrıcalıklı Irkların Korunumu Ü