За время плавания Дарвин собрал огромный материал, который нужно было описать, классифицировать и оценить. Одних только птиц было привезено около 450 видов, млекопитающих же было около сотни. С коллекциями животных и растений ему помогали ботаники и зоологи, с минералами он в основном разбирался сам. Ну а впечатления, мысли, идеи требовали размышлений. После путешествия, по свежим следам, Дарвин исписал несколько записных книжек, где отмечал свои соображения. Начинал он с робких предположений о том, что под влиянием каких-либо факторов виды могут меняться, а закончил уверенностью в существовании эволюции.

В первую очередь Дарвин занялся геологией. Собрав воедино все свои заметки на эту тему и изучив привезенные образцы, он написал три геологических трактата. В книге «О строении и распределении коралловых рифов» он дал четкое и естественное объяснение тому, как образовались коралловые острова, разнообразные по форме и расположению. Его теория о том, что морское дно опускается, была благосклонно принята ученым сообществом и даже вошла в учебники. В этой работе уже можно обнаружить некоторые мысли, связанные с теорией эволюции, в частности с естественным отбором. К примеру, в одной из глав Дарвин писал: «В старых рифах кораллы… приспособлены к месту, которое занимают, и удерживают свое место, как и другие органические существа, борясь друг с другом и природными условиями»

Еще две работы, посвященные геологии, продолжали идеи Чарлза Лайеля, усвоенные Дарвином еще до путешествия. Исследуя ландшафты и горные породы в Южной Америке, Австралии и других местах, где он побывал, Дарвин нашел множество подтверждений теории Лайеля о постепенном преобразовании земной поверхности. Сочинения Дарвина способствовали повсеместному распространению передовой геологической теории Лайеля.

Разобравшись с геологией, Дарвин решил уделить внимание зоологии и занялся разбором экземпляров усоногих раков, привезенных из Америки. Сравнивая их с уже известными и описанными видами этих животных, он обнаружил, что в их классификации царит невероятный хаос. Его упорядоченный ум хаоса не терпел, поэтому ученый решил навести порядок. Эта кропотливая работа заняла у него почти восемь лет, по ее итогам он издал четырехтомную монографию «Усоногие раки», где эти животные полностью описаны и систематизированы. Книга Дарвина стала весьма ценной для зоологии, ученые пользуются ею до сих пор.

Работа над монографией была важна и для центрального труда всей жизни ученого, «Происхождения видов». Описывая множество разновидностей усоногих раков, он особенно ясно осознал, насколько шатки и условны границы между видами. «Когда я строго сравниваю один и тот же орган у многих индивидов, то всегда нахожу его изменчивым и вижу, как опасно устанавливать виды на основе мелких признаков», – писал он.

Еще одно издание, относящееся к животному миру, исследованному во время путешествия, было выпущено совместно с другими учеными, теми, кто описывал и классифицировал привезенные Дарвином коллекции. Пятитомник «Зоология путешествия на "Бигле"», кроме подробного описания каждого вида животного, содержал заметки об ареале его обитания, образе жизни и повадках.

Почему, к примеру, страус, живущий в Бразилии, больше страуса из Аргентины, хотя в остальном они схожи? Почему верблюд, живущий в наше время, так похож на ископаемого верблюда, кости которого были найдены в Южной Америке? И чем обусловлены их небольшие различия? Ответов на эти вопросы у Дарвина поначалу не было, но он начал думать о поисках общих предков животных близких видов.

Далее его мысли, как это видно из записных книжек, обратились к общим, даже философским, вопросам: зачем природе вообще нужно размножение? Почему оно происходит при участии двух особей, мужской и женской? Может, дело в том, что при таком способе детеныши берут от родителей все лучшее, и это улучшает вид в целом? Позже он ответит на этот вопрос утвердительно. Пытаясь найти какие-то общие законы изменения видов, Дарвин изучает домашних животных, он даже составляет подробные анкеты и отправляет их окрестным животноводам, надеясь прояснить волнующую его проблему. Он обращается к садоводам, ботаникам, врачам в попытке понять общие законы жизни. И вскоре в его голове начинает складываться вполне стройная теория.

Через год после возвращения из кругосветной экспедиции Чарлз Дарвин заболел. Причина и природа болезни так и не были установлены, считалось, что он подхватил какую-то экзотическую хворь во время путешествия. На протяжении всей оставшейся жизни его мучили боли и слабость, но он продолжал работать, вопреки своему состоянию. Можно только удивляться мужеству и силе воли человека, который ежедневно занимался исследовательской работой, успевая за два-три часа сносного самочувствия сделать необыкновенно много.

Последние 40 лет жизни Дарвин провел уединенно, переехав вместе с женой в тихое поместье Даун, расположенное в графстве Кент. Он не хотел тратить время и силы, которых у него было немного, на общественную и светскую жизнь. Главной его целью было успеть написать труд всей жизни, позже названный «Происхождение видов», и создать эволюционную теорию, подкрепленную весомыми доказательствами.

С 1837 года он начал делать записи, относящиеся к этой теории, а завершенную форму она обрела только через 20 лет Дарвин мог окончить работу и раньше, основные положения были сформулированы задолго до публикации. «В июне 1842 года я впервые решил доставить себе удовлетворение и набросал карандашом на 35 страницах очень краткое резюме моей теории», – вспоминал ученый. Он не торопился, хотел все тщательно проверить и подготовиться к отпору противников, которые, как он был уверен, появятся сразу же и в немалом количестве.