پس از چندی کشتی «بیگل» به سواحل آرژانتین رسید و داروین در یکی از گردش‌های اکتشافی خود بر روی خشکی در «مونته ویدئو» به کشف بسیار جالبی دست یافت.
چیزی که او یافت، استخوان‌های فسیل شده جانوری ناشناخته و عظیم الجثه بود. اکنون دیگر شک نداشت که نظریه لینه در رابطه با ثبوت و دائمی بودن گونه‌ها صحت ندارد چرا که او آثاری از جانورانی یافته بود که زمانی بر روی زمین می‌زیستند ولی امروزه دیگر وجود نداشتند به علاوه با کمال تعجب، او تاکنون هیچ فسیلی از جانورانی که هنوز به صورت زنده یافت می‌شدند پیدا نکرده بود. آیا دلیل این امر می‌توانست این باشد که این‌ها گونه‌های جدیدی بودند که در دوران زندگی آن گونه های قدیمی و فسیل شده وجود نداشتند؟
سال‌ها بود که این قبیل پرسش‌ها در میان دانشمندان دهان به دهان می‌گشت. یک زیست‌شناس فرانسوی به نام «ژرژ کوویر» در ضدیت با نظریه فرگشتی لامارک، با قاطعیت تمام این فرضیه را مطرح کرده بود که: «طبیعت شبکه گسترده‌ای از گونه‌های مرتبط با هم است ولی هیچ نوع جهشی در کار طبیعت وجود ندارد.»
از نظر کوویر وجود فسیل‌ها خود گواه بر درستی نظریه کلاسیک زمین‌شناسی بود. با این توجیه که هر بار که تغییرات ناگهانی و شدیدی بر روی زمین روی می‌داد، کلیه جانداران ساکن بر روی کره زمین از بین می‌رفتند و پس از مدتی شکل‌های جدید آفریده می‌شدند. از نظر او آخرین رخداد از این قبیل، طوفان سهمگینی بود که در انجیل نیز از آن یاد کرده بود به این ترتیب کاملاً منطقی است که جاندارانی که فسیل آنها امروزه در دسترس می‌باشد، خود وجود نداشته باشند و فسیلی از گونه‌های موجود جانداران یافت نشود.
داروین به منظور یافتن پاسخی منطقی‌تر دست به دامان کتابی استاد جدید خود - لایل - شد. لایل معتقد بود که فسیل‌های جانداران امروزی به علت ظریف و شکننده بودن در برابر خوردگی و گذشت زمان تاب نیاورده و خرد و ساییده شده و از بین رفته‌اند و به این دلیل است که فسیلی از جانداران امروزی یافت نمی‌شود. اینک داروین برسر یک دوراهی مانده بود.
هریک از این نظریات اشکالات مخصوص به خود را داشت. خوشبختانه داروین به تدریج آموخت که به جای تکیه بر نظریات دیگران، به مشاهدات دست اول و نمونه‌های گرانبهای خویش اعتماد کند. یک روز داروین در یکی از گردش های علمی خود به فسیلی برخورد کرد که هر دو نظریه موجود در این زمینه را نقض می‌کرد.
او در غاری فسیل یک «آرمادیلوی» غول پیکر (خوک زره‌دار) را یافت که در کمال شگفتی شباهت عجیبی به انواع کوچکتر آرمادیلو داشت که هنوز در آن منطقه می‌زیستند. به نظر می‌رسید این دو جانور به طریقی با هم مرتبط بودند. اما چگونه چنین چیزی ممکن بود؟ مگر نه اینکه آنها در دوران‌های متقاوتی زندگی می‌کردند.
هنگامی که در سال ۱۸۳۲ کشتی بیگل به «بوئنوس آیرس» رسید، داروین جلد دوم از کتاب «اصول زمین‌شناسی» لایل را که از لندن فرستاده شده بود، دریافت نمود و در کمال تأسف مشاهده کرد که لایل نیز با وجود آنکه به اصل تغییرات تدریجی در پدیده‌های زمین‌شناسی معتقد بوده ظاهراً در مورد موجودات زنده چهارچوب فکری متقاوتی داشت. او در جلد دوم کتاب خود، نظریات لامارک را به سختی زیر سؤال برده بود و تاکید ورزیده بود که کلیه موجودات زنده همزمان و در آغاز خلقت آفریده شده‌اند.
در طول شب‌های طولانی که در کشتی سپری می‌شد، داروین گاهی درباره مسائلی که ذهن او را به خود مشغول کرده بود، با فیتزروی به گفت‌وگو می‌نشست.
فیتزروی بدون شک یکی از روشنفکرترین افراد جوان در نیروی دریایی بریتانیا بود. بی علت نبود که چنین وظیفه مهمی به او محول شده بود تا آن زمان اطلاعات مربوط به خط ساحلی آمریکای جنوبی محدود به نقشه های ناقص و غیردقیقی می شد که از اسپانیایی‌ها به جا مانده بود. نقشه‌برداری دقیق از این منطقه نیروی دریایی انگلیس را قادر می‌ساخت که براحتی دماغه «هورن» را دور زده و به اقیانوس آرام دسترسی پیدا کند.
با وجود چنین ماموریت دشواری فیتزروی در طول سفر خود نیز با به تحقیقات مستقلی در رابطه با سنجش هوا در مناطق مختلف و در فواصل گوناگون از خط استوا می‌پرداخت. (به همین دلیل وی یکی از بنیانگذاران علم هواشناسی به می‌رود.) با این حال فیتزروی در چیزهایی که اصولاً چیزی از آنها نمی‌دانست، عقاید سفت و سخت و متعصبانه‌ای داشت.
فیتزروی نظریه قدیمی خلقت را بدون چون و چرا می‌پذیرفت. او شدیداً مخالف لایحه اصلاحیه‌ای بود که به تازگی به تصویب پارلمان رسیده بود. بر طبق این لایحه، طبقات متوسط جامعه نیز حق رأی می‌یافتتد.
فیتزروی در اداره کشتی نیز بسیار سختگیر بود. اگر یکی از افراد کشتی کاری هرچند کوچک بر خلاف دستور و رأی او انجام می‌داد، به سختی با شلاق مجازات می‌شد و همه افراد دیگر از جمله داروین موظف بودند در مراسم مجازات وی حضور یابند. این موموضوع طبیعت حساس داروین را آزار می‌داد.
داروین نیز هنگامی که برای اولین بار سر میز شام نظریات ضد بردگی خود را آشکار ساخت، از طرف فیتزروی مورد تنبیه کلامی قرار گرفت. در واقع به طور سربسته به او گفته شد که مزخرف می‌گوید، چرا که مردمان ابتدایی فقط به درد بردگی می‌خوردند و بس! فیتزروی به داروین گفت: «وقتی که به «پاتاگونی» برسیم خودت این را می فهمی!» و به راستی هم هنگامی که کشتی بیگل به پاتاگونی رسید، داروین از برخورد اول با پاتاگونی ها بسیار شگفت زده شد.
کشتی بیگل در جنوب جزیره «تیرا دل فوئگو» در فاصله کمتر از صد مایل از دماغه هورن لنگر انداخت. در این هنگام آنها ناگهان مردان وحشی برهنه‌ای را دیدند که در حالی که جیغ می‌کشیدند و دستان خود را تکان می‌دانند و شکلک‌های عجیب و غریبی در می‌آوردند. به استقبال آنها می‌آمدند.
بیشتر آنها از تقنگ هم نمی‌ترسیدند، چرا که طرز کار آن را نمی‌دانستند. به همین دلیل متوجه ارتباط بین صدای شلیک و شیء درازی که در دست ملوانان قرار داشت، نمی‌شدند و علت زخم از گلوله را ناشی از یک بلای خودبه‌خودی مرموز می‌پنداشتند!
این صحنه برای داروین چنان تکان دهند بود که با وجود افکار آزادیخواهانه‌ای که داشت درباره این که آیا این موجودات به راستی همنوعان آنها هستند، به شک افتاد.
او پاتاگونی‌ها را به «اشباح سرگردان جهانی دیگر» تشبیه کرد. البته داروین هیچ گاه اصول فکری خود را زیر پا نگذاشت، اما عکس العمل او در آن لحظه بر پایه آن چیزی بود که می‌دید، نه آن چیزی که می‌اندیشید. ذهن او باز و بی‌تکلف به تمام این وقایع و تجربیات جدید می‌نگریست. آیا این امکان وجود داشت که پاتاگونی‌ها گونه‌ای بین انسان و حیوان باشند؟ داروین خیلی زود آموخت که نظریاتش را برای خود نگاه دارد و در بروز عقایدش بسیار محافظه کار گشت.
به همین دلیل با وجود اختلاف نظر زیادی که بین وی و فیتزروی وجود داشت، رابطه آنها تا آخرین روز سفر بسیار خوب باقی ماند. گاهی نیز علاقه شدید داروین به علم، فیتزروی را به قدری تحت تاثیر قرار می‌داد که این موجود سختگیر و متعصب، داروین را در گردش‌های علمی‌اش بر روی ساحلی همراهی می‌نمود.
هنگامی که داروین بر روی خشکی به کاوش می‌پرداخت، طبیعت حقیقی او ناگهان آشکار می‌شد و آن جوانک ضعیف و بیمار و دریازده روی کشتی در یک چشم به هم زدن به ماجراجویی بی‌باک تبدیل می‌شد.
در داروین یک ویژگی استتنایی و بسیار بارز وجود داشت. او قادر بود با نگاهی دست اول و بدون هرگونه پیش داوری به پدیده‌های پیرامون خود بنگرد و هنگام برخورد با پدیده‌های جدید تنها یک مشاهده‌گر باشد، نه یک قاضی یا نظریه‌پرداز.
در این دوران داروین از آینده‌ای که انتظارتش را می‌کشید تصور روشنی نداشت. او جرأت آن را نداشت که پیش خود اعتراف کند که پیشه حقیقی خود را یافته است. داروین هنوز تحت تاثیر خواسته‌های پدرش بود و تصور می‌نمود که پس از پایان این سفر برای ادامه تحصیل وارد کلیسا خواهد شد. اما داروین هنوز راهی طولانی در پیش داشت. هزارها مایل دیگر می‌بایست پیموده شود تا زمان این تصمیم گیری فرا برسد. سه سال از آغاز سفر گذشته بود و مأموریت کشتی بیگل هنوز به انجام نرسیده بود.
در همان سال داروین به یک گردش علمی یک ماهه در منطقه کوهستانی «آند» رفت و با کمال تعجب در ارتفاع ده هزارپایی به فسیل‌هایی از صدف برخورد.
کم کم تصاویری از چگونگی ایجاد این کوه‌های عظیم در ذهن داروین شکل می‌گرفت. در اینجا نیز او شواهد غیر قابل انکاری در تأیید صحت نظریه لایل یافت.
نیروهای عظیم زمین لرزه و آتشفشان به مرور زمان باعث بالا آمدن برخی قسمت‌های زمین و پدید آمدن کوه‌ها شده بودند. احتمالاً به همین ترتیب نیز قسمت‌های دیگری از سطح زمین فرو نشسته و به زیر آب رفته بود و همین فرآیند باعث جدا شدن قاره‌ها از هم شده بود. شاید به همین دلیل بود که در آفریقا و آمریکای جنوبی یک نوع شترمرغ زندگی می‌کرد، در صورتی که این دو قاره هیچ نوع ارتباطی از طریق خشکی با هم نداشتند.
در این هنگام ترتیبی داده شد تا انبوہ نمونه‌هایی جمع آوری شده توسط داروین که به سرعت در کابین‌های زیر عرشه انباشته می‌شد، توسط بازرگانانی که به انگلستان باز می‌گشتند به انگلستان منتقل شوند.
این برای خدمه کشتی بیگل مایه خوشنودی بود، زیرا محل زندگی آنان کم کم داشت به یک موزه آثار طبیعی تبدیل می‌شد و آنها به اندازه داروین از این موضوع راضی نبودند.
همراه این محموله، داروین نامه‌هایی نیز به هنسلو، استاد و حامی خود نوشت. در این نامه‌ها به شرح یافته‌های خویش پرداخت و سعی کرد نظریات جدید خود را بر استاد خویش بیازماید. به تدریج با انباشته شدن شواهد، داروین اعتماد به نفس بیشتری می‌یافت.
داروین کسی نبود که جز بر پایه شواهد به نظریاتی کلی در برخی زمینه‌ها دست بیابد. مگر نه اینکه او سرتاسر جهان را پشت سر گذاشته بود؟ حال او به خود اجازه می‌داد که درباره دیده‌هایش در کل جهان به قضاوت بنشیند.
در همین زمان هنسلو در انگلستان با دیدن نمونه‌هایی که از طرف داروین به دستش رسیده بود بسیار هیجان‌زده شد. او از کشفیات و نظریات داروین نیز با ذوق و شوق بسیار استقبال کرد و حتی سخنرانی‌هایی در همین زمینه در انجمن زمین‌شناسی لندن برگزار نمود. به این ترتیب جنبشی در مجامع علمی انگلستان پدید آمد و نام داروین بر سر زبان‌ها افتاد.
داروین بدون اطلاع از تمام این جریانات در کشتی بیگل سخت سرگرم کار خویش بود. او قصد داشت تا قبل از فرا رسیدن روز شومی که می‌بایست همه چیز را رها کرده و وارد کلیسا شود، نهایت استفاده را از تک تک لحظات خویش بنماید.
نقطه عطف سفر داروین دیدار او از جزایر «گالاپاگوس» بود. این مجمع‌الجزایر جدا افتاده واقع در اقیانوس آرام، از حدود بیسیت جزیره کوچک تشکیل شده است و حدود ۵۶۹ کیلومتر یا سواحل «اکوادور» فاصله دارد.
سه سال قبل از رسیدن کشتی بیگل به این مجموعه جزایر، دولت اکوادور ادعای مالکیت این منطقه را کرده بود و به دنبال آن، مجمع الجزایر گالاپاگوس به صورت تبعیدگاهی در آمده بود که توسط یک حکمران انگلیسی اداره می‌شد. به غیر از شکارچی‌های نهنگ که گاهی گذارشان به این محل می‌افتاد کم تر کسی به این محل رفت و آمد می‌کرد. داروین بیش از یک ماه در این منطقه ماند (از 15 سپتامبر تا ۲۲ اکتبر 1835) و مشاهدات او در این منطقه تمام دنیا را تکان داد.
البته در نظر اول منطقه گالاپاگوس تاثیر چندان خوشایندی بر داروین نگذاشت. این جزایر همه آتشفشانی بودند و سطح آنها از صخره‌های سیاه آتشفشانی پوشیده شده بود.
آب و هوایی استوایی این منطقه به شدت خفقان‌آور بود و بوی ناخوشایندی از پوشش گیاهی انبوه منطقه متصاعد می‌شد. آنچنان که داروین این مجموعه جزایر را به «نواحی کشتکاری شده دوزح» تشبیه کرده بود. اما دیری نپایید که گونه‌های حیوانی و گیاهی غیرمعمول این مجموعه جزایر جدا افتاده از بقیه دنیا توجه داروین را به خود جلب نمود.
او در اینجا به لاک پشت‌های غول‌پیکر، سوسمارها و انواع و اقسام سهره‌ها برخورد. نام این مجمع الجزایر گالاپاگوس نیز در واقع به معنای لاکپشت آبزی می‌باشد.
این نام را اسپانیایی‌هایی که اولین بار پای در این منطقه گذاشته بودند، بر این مجمع الجزایر نهادند. آنها تصور می‌کردند که این لاکپشتهای غول پیکر، آبزی هستند زیرا هیچ گاه قبلاً نظیر آنها را در خشکی ندیده بودند.
در صورتی که این لاکپشت‌ها متعلق به گونه‌ی از لاکپشتهای خشکی‌زی (esiotrot) بودند که مدت‌ها پیش در سایر نقاط جها منقرض شده بود.
سوسمارهای این منطقه نیز ویژگی‌های منحصر به فردی داشتند. آنها در دریا شنا می‌کردند و از این جهت با سوسمارهای آمریکای مرکزی که تنها در خشکی زندگی می‌کردند. فرق داشتند. با وجود این، بدون شک این دو نوع جانور به ظاهر متفاوت به طریقی با هم مرتبط بودند.
ولی از همه این‌ها جالب‌تر سهره‌های ساکن در مجمع الجزایر گالاپاگوس بود. داروین مشاهده کرد که در هرکدام از جزایر در این مجموعه الجزایر «زیرگونه» متقاوتی از سهره‌ها زندگی می‌کند.
رنگ بال و پر و ترکیب منقار سهره‌ها از یک جزیره به جزیرهای دیگر فرق می‌کرد. متناسب با نوع غذای سهره‌ها و روش تغذیه آنها، اختلاف قابل ملاحظه‌ای در شکل و اندازه منقار آنها وجود داشت.
در برخی از جزیره‌ها سهره‌ها از منقارهای خود برای شکستن هسته میوه‌ها استفاده می‌کردند و در برخی دیگر سهره‌ها یاد گرفته بودند که چگونه با استفاده از خارهای کاکتوس در سوراخ‌ها و شکاف‌های ریز به دنبال نوزاد حشرات بگردند.
گروه دیگری از سهره‌ها نیز وجود داشتند که از منقارهای‌شان برای بالا کشیدن ته گل‌ها استفاده می‌کردند.
در هر کدام از این سهره‌ها شکل و اندازه منقار به طرز عجیبی متناسب با روشی بود که برای تهیه غذا به کار م‌یبردند داروین در این مورد می‌نویسد: « به سادگی می‌توان چنین تصور کرد که در ابتدا یک گونه واحد از سهره‌ها در این مجمع الجزایر زندگی می‌کرده و سپس این گونه اولیه به صورت‌های مختلفی تغییر شکل یافته است.»