在劍橋大學裡，達爾文認識了韓斯洛教授 （John Stevens Henslow），韓斯洛對植物學、動物學、地質學、礦物學都有深刻研究，讓達爾文十分欽佩。他也跟著韓斯洛接觸了博物學，並認識許多天文學家、動物學家、教育學家和哲學家，韓斯洛教授也介紹他參加小獵犬號的航行。
父親認為達爾文不務正業 堅決反對他出航
1831年，達爾文完成劍橋大學學業，剛好韓斯洛得知海軍正在尋找到南美洲考察的學者，年輕又有博物學背景的達爾文再適合不過，於是推薦他參加這次航行。消息傳到達爾文父親的耳中，遭到父親堅決反對，他認為兒子不務正業的花招越來越多，這讓達爾文十分灰心。還好達爾文得到舅舅支持，寫信說服他父親，最後終於成功登上小獵犬號。
抵達加拉巴哥群島 發現雀鳥演化
小獵犬號出發後，一路穿越大西洋，繞過南美洲海岸，接著橫渡太平洋，沿著澳洲南側進入印度洋，最後再繞過非洲好望角回到大西洋，經南美洲東岸最後在1836年返回英國。1835年9月，小獵犬號駛入加拉巴哥群島，此時達爾文發現，島上的陸龜及雀鳥並沒有太大差異，但又有細微的不同，例如鳥嘴喙厚薄的不同，且加拉巴哥群島的生物與南美洲大陸的種類非常相似，他懷疑島上生物可能有共同的祖先。
在他回到英國後，將這些雀鳥的標本帶給鳥類學者古爾德（John Gould），古爾德發現，這些鳥都是雀鳥（finche）的不同物種，這使達爾文驚覺，這些雀鳥可能為了順應不同環境內能獲得的不同食物，使得牠們的嘴喙在演化時產生變化。
「演化論」（theory of evolution）在當時並不是最新學說，早在1809年，法國生物學家拉馬克（Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck）發表的《動物哲學》（Philosophie zoologique）一書中就提出「用進廢退」與「獲得性遺傳」（用進廢退這種後天獲得的性徵是可以遺傳的）兩個法則，認為這既是生物產生變異的原因，也是適應環境的過程。達爾文的雀鳥研究更進一步提出證據證明這項假設。
他在1839年出版的《小獵犬號航海記》中寫道：「從這一小群關係密切的雀鳥中，我發現牠們的構造有漸次歧異的現象，難免會使人想像，這個海島上一開始只有同種的鳥群，然後分別朝不同的目標逐漸改變。」20年後，達爾文將雀鳥因適應不同島上的生存條件而變化的觀點，發展成完整的生物演化理論，並在1859年出版巨作《物種起源》。他認為，「自然選擇」會確保有利於生存的性狀遺傳給下一代，他的理論成為對演化機制的主要詮釋，是現代演化思想的基礎，也是當今生物學的基石。
