大学期间，达尔文加入了一个名为“普林尼学会”的组织，这个组织的成员是一群热爱自然科学的学生。他们热衷于通过唯物主义观点，挑战正统的宗教科学观念。达尔文正是他们中间的佼佼者。

1826年11月，年仅17岁的达尔文凭借优秀的个人能力，当选“普林尼学会”的书记。在与同学交流学习的过程中，他进行了一些野外观察和实验，同时他还注意到了祖父留下来的日记。

在祖父的日记中，达尔文第一次接触到了拉马克的生物进化思想。为了搞清楚生物之间的进化关系，他系统学习了植物分类学。对其他知识科学的投入，也导致达尔文的专业课程进一步荒废。父亲得知后，认为他游手好闲，不务正业，一怒之下中断了他为期两年的医学学习，把他送到了剑桥基督学院攻读神学。

或许在父亲的心里，既然儿子不喜欢医学，如果能在未来成为一名牧师，也能巩固他在母系家族的地位。恐怕他万万也想不到，在剑桥基督学院攻读期间，达尔文遇到了同样喜爱昆虫收藏的堂哥福克斯，对堂哥精美的蝴蝶收藏印象深刻，向他讨教了专业的昆虫学知识。从此以后，达尔文热衷于昆虫收集，并在1829年把自己的一些发现，发表在了《英国昆虫学插图》中。

不久后，堂哥又把植物学教授亨斯洛介绍给了达尔文认识。虽然作为基督学院的教授，亨斯洛是一位东正教牧师，但达尔文与他一见如故，很快成了忘年之交。两人常常在乡间散步，寻找大量的植物和昆虫，达尔文也在这个过程中，学习了专业而系统的知识。每当亨斯洛教授带领学生去森林和沼泽进行考察、采集标本的时候，达尔文必然会一同前往学习，度过一个愉快的周末。

后来达尔文回忆道，和亨斯洛教授一起捉甲虫的日子，是他大学生活中最快乐的时光。

1831年1月，22岁的达尔文从剑桥基督学院毕业。不久后，他开始研究宗教科学著作《自然神学》，这本书主要从自然科学的角度来解释神学和上帝的存在。对此他保持怀疑的态度，决定亲自去考察，研究生物进化的规律。

1831年12月，经过亨斯洛教授的推荐，达尔文踏上了贝格尔号军舰，开始了为期5年的考察。虽然父亲认为达尔文是在浪费时间，但他并没有成功阻止达尔文远行。

达尔文此时已经成长为拥有丰富地质学、动植物知识的年轻博物学家，但他并没有远航经历。在漫长的旅途中，他不得不一边饱受晕船之苦，一边制作大量的动植物标本，并坚持每天写下研究笔记。这些笔记和标本涉及大量的地质测量数据，各类哺乳动物、鸟类、昆虫和大量的海洋无脊椎动物的标本资料。

达尔文跟随贝格尔号军舰几乎前往了世界各地，考察了当时人们所能见到的绝大多数物种，这促进了他对物种起源的探索。尤其是1835年，在加拉帕戈斯群岛见到的一种雀鸟，在未来给了达尔文重要的启迪。不过，在5年考察期间，达尔文疲于每日的忙碌，并没有时间去整理和思考自己的笔记。