1836年10月，27岁的达尔文结束了漫长的考察之旅，回到英国。与家人匆匆见面后，他第一时间前往剑桥见了亨斯洛教授。亨斯洛教授意识到达尔文手中资料和标本的价值，建议他寻找博物学家来整理这些资料和标本。

达尔文接受了建议，并得到了父亲的支持，很快与地质学会和动物学会建立了联系。他把化石标本交给了地质学会，地质学家莱尔和解剖学家欧文参与了整理和鉴定工作。他们震惊地发现，达尔文收集的标本中，竟然有大地懒、箭齿兽、雕齿兽等灭绝动物的骨骼。研究结果与达尔文预期的一致，这些灭绝的动物的确和当地现存物种存在关联。

另一方面，达尔文把哺乳动物和鸟类的标本交给了动物学会。鸟类学家古德尔分析了达尔文在加拉帕戈斯群岛收集的雀鸟，分出了13个物种。分析结果显示，这些雀鸟之间十分相似，具有很近的亲缘关系。达尔文不禁思考到，这些雀鸟应该有共同的祖先，但在不同的后天生存环境下，经过漫长的过程进化成了不同的物种。

经过长达半年的研究，达尔文分析了各类物种，对物种的起源有了更加肯定的认识。1837年3月，达尔文在笔记中郑重地写下了一句话“一个物种确实会变成另一个物种”。他否定了流传已久的物种不变论，开始撰写第一本关于物种演化的笔记。

经过数个月的时间，达尔文勾勒了加拉帕戈斯陆龟、雀鸟和美洲鸵的进化谱系，开始筹备个人笔记的出版。

1838年，达尔文阅读了马尔萨斯的巨著《人口论》，书中提到，人口几何式增长后会爆发马尔萨斯灾难。达尔文结合自己的研究考察，分析了物种和生态环境之间的关系。他得出，面对环境压力，种群长期竞争的过程中，有利变异会被保存下来，而不利变异则会被淘汰掉。

同年，达尔文又分析了农民的选择性育种，把自然界的育种过程，称为自然选择。

1839年，是达尔文的幸福之年，30岁的他踏入了婚姻的殿堂，出版的《贝格尔号航海记》也广受好评。家庭美满，事业稳定，达尔文开始潜心研究和写作。虽然他的进化论思想已经逐渐成熟，但他的好友植物学家胡克却建议他对一个生物门类进行深度研究，经过考虑，达尔文最终选择了一种海洋无脊椎动物——藤壶。

这一研究，就是长达8年的时间。达尔文通过两台显微镜，一边观察，一边作图，最终写出了多达4卷的藤壶专著。

藤壶虽然像贝壳，但其实他们与虾和蟹有着更近的亲缘关系。由于固着生活和异体受精，藤壶有着比自身长达8倍的交接器。通过大量对比和观察，达尔文最终得出结论，藤壶的进化是性选择和环境适应的结果。同时他也提出“同源性”的概念，对同一祖先的进化关系进行了解释。通过对藤壶的研究，达尔文的进化思想也得到足够的沉淀。