Chuyến hành trình lập bản đồ bờ biển kéo dài năm năm. Trong suốt thời gian này Darwin dành thời gian ở trên đất liền để tìm hiểu địa lý và sưu tập lịch sử tự nhiên. Ông ghi chép cẩn thận những quan sát và những giả thuyết của mình. Ông thường xuyên gửi những mẩu vật đến Cambridge và thư viết về nhật ký hành trình cho gia đình. Mặc dù thường xuyên bị say sóng, nhưng đa số ghi chép về động vật học của ông liên quan đến các loài động vật biển có xương sống.

Trong chuyến dừng chân đầu tiên ở St Jago, Darwin phát hiện được nhiều vỏ sò biển trên vách đá núi lửa. Thuyền trưởng FitzRoy đưa ông đọc tập một cuốn Địa Lý Cơ Bản của Charles Lyell. Quan sát của Darwin kiểm chứng cho giả thuyết của Charles Lyell nói rằng các vùng đất được nâng lên hoặc hạ xuống qua một khoảng thời gian dài. Darwin hình thành lý thuyết để viết một cuốn sách về địa lý. Đến Brazil, Darwin bị rừng nhiệt đới cuốn hút. Tuy nhiên, cảnh nô lệ ở đây làm ông thấy thương xót.

Ở Punta Alta, Patagonia, ông khám phá hóa thạch của những loài hữu nhũ khổng lồ bị tuyệt chủng trên vách đá bên cạnh những vỏ sò biển hiện đại. Điều này cho thấy rằng những loài này bị tuyệt chủng mà không gặp phải thảm họa hoặc biến đổi khí hậu. Ông nhận dạng được loài Megatherium nhỏ bé, với lớp giáp bằng sừng mà lúc đầu ông thấy giống như phiên bản thu nhỏ của loài ẩm dillos địa phương. Phát hiện này làm nhiều người thích thú khi họ quay về Anh. Trong quá trình đi sâu vào đất liền để khám phá địa lý và thu thập hóa thạch ông có thêm những hiểu biết về xã hội, chính trị và nhân chủng về người bản địa cũng như thực dân. Đi sâu hơn về phía Nam ông thấy những đồng bằng gồm những lớp đá cuội và vỏ sò nằm liên tiếp nhau. [...]. Ông đọc tiếp tập hai cuốn sách của Lyell. Ông công nhận cách nhìn của Lyell về "trung tâm khởi tạo" của mọi loài. Tuy nhiên, những phát hiện và giả thuyết của ông lại mâu thuẫn với ý tưởng của Lyell về biến đổi dần dần (smooth continuity) và sự tuyệt chủng.

Trong chuyến đi này của tàu Beagle, có ba người Fuegians được đem về Anh trong một năm và sau đó đưa trở lại để làm nhà truyền giáo. Darwin thấy những người này thân thiện, có văn hóa, trong khi đó những người bản địa là "những thổ dân khốn khổ, thấp kém". Darwin cho rằng sự khác biệt này cho thấy sự tiến bộ về văn hóa chứ không phải do chủng tộc. Khác với những nhà khoa học khác, Darwin nghĩ không có ranh giới bất khả giữa con người và động vật. Sau một năm, nhiệm vụ truyền giáo dừng lại. Một người Fuegian được đặt tên Jemmy Button sống như người bản địa khác, lấy vợ, và không muốn quay lại Anh.

Ở Chilê, Darwin gặp một trận động đất. Nhờ vậy ông thấy được vùng đất đã được nhô cao lên và kèm theo nó là các lớp vỏ trai. Trên dãy Andes ông thấy vỏ sò, vài hóa thạch cây cối từng sống trên bãi biển. Ông lập luận rằng khi mặt đất nhô lên thì những biển đảo chìm xuống và các bãi san hô hình thành nên các vòng san hô.

Trên địa vùng Quần đảo Galapagos mới hình thành, Darwin tìm kiếm bằng chứng để chứng minh những loài hoang dã ở đây được bắt nguồn từ tổ tiên "trung tâm sáng tạo". Ông phát hiện vài loài chim nhại giống với loài tìm thấy ở Chile nhưng khác với các loài ở trên các đảo khác. Ông nghe nói những loài rùa có mai khác nhau cho biết chúng từ đảo nào nhưng không sưu tập được. Những con chuột túi và thú mỏ vịt ở Úc có hình dạng khác thường làm Darwin nghĩ rằng có hai Tạo hóa riêng biệt. Ông thấy người Úc bản địa "vui tính và dễ chịu". Ông cũng lưu ý sự định cư của dân châu Âu đã tàn phá cuộc sống họ như thế nào.

Tàu Beagle tìm hiểu cách hình thành các vòng san hô của quần đảo Cocos. Điều này cũng giúp cũng cố thêm giả thuyết của Darwin. Thuyền trưởng FitzRoy bắt tay viết nhật ký tàu Beagle. Sau khi đọc nhật ký của Darwin, FitzRoy đề nghị hai người cộng tác để viết chung một cuốn sách. Nhật ký của Darwin được biên tập thành một tập riêng biệt về lịch sử tự nhiên.

Đến Mũi Hảo Vọng, Darwin và FitzRoy gặp John Herschel, người đã ngợi ca lý thuyết thống nhất của Lyell là giả định về "điều bí ẩn của những bí ẩn, sự thay thế các loài tuyệt chủng bởi các loài khác" là "một nhân tố tương phản với một tiến trình kỳ diệu". Trên đường quay về nước Anh, Darwin ghi chú rằng nếu như những nghi ngờ của ông về chim nhại, rùa và vùng Falkland Island Fox là đúng, thì "những yếu tố này bác bỏ giả thuyết về Loài". Sau đó ông cẩn thận thêm "có thể" trước "bác bỏ". Sau này ông viết những yếu tố này "dường như đem lại ánh sáng cho nguồn gốc các loài".