一天，达尔文怀着无比崇敬的心情和亨斯洛教授一起去拜访莱伊尔教授，受到了热情友好的接待。谈话中，莱伊尔那种明朗、严谨、果断而又敢于创新的思想作风，给达尔文留下了深刻的印象。达尔文把自己的计划和在各处受到冷遇的情况告诉他，莱伊尔表示了极大的同情，并且设身处地地替达尔文考虑怎样把计划修改得更实际些。他坦率地对达尔文说：
“对于一个博学者来说，在英国最合适的地方，除了伦敦就是剑桥。剑桥有你的良师益友，亨斯洛教授在那里会给你必要的帮助。你搬到伦敦来住，我可以帮助你结识一些博物学者。当然，以后的工作还得由你自己去做。”
“非常感谢您，莱伊尔教授，”达尔文说。“不过，我的资历很浅。”
“资历？很多人用资历装扮自己，就像用斗篷来遮盖赤裸的身体一样，”莱伊尔激动地说，“有些人资历很深，在科学上却一事无成，甚至利用自己的资历去吓唬人；有些人好像缺少足够的资历，甚至什么资历也没有，却能在科学上作出成就和贡献。您有比较丰富的实践经验和敏锐的观察能力，这就是有利条件。”
达尔文非常尊重莱伊尔的意见，他先在剑桥找了一间房子住下，把从贝格尔号舰上带回来的大堆岩石、化石、动物、植物标本等整理了一下，然后就搬到伦敦，在大英博物馆附近租了两间房子住下来。在这以后的两年时间里，他核对了航海日记中的全部记录，联系出版了《贝格尔舰航行中的动物学》，还写了几篇地质学论文。
1837年的盛夏，伦敦的天气格外炎热，许多人都在户外纳凉，住在大马尔勃罗街36号公寓里的达尔文，正汗流浃背地在灯下奋笔疾书。不久以前，他在地质学会上宣读了几篇论文，那些“大人物”终于用赞许的态度接受了它们。随后，地质学界权威们也十分关注地经常谈论着他。
尽管这样，达尔文一点也没有忘记自己神圣的职责——探索生物进化的问题。在环球考察期间发现的3个事实经常盘旋在他的脑际：第一个事实，在巴塔哥尼亚发现的动物化石，它的年代虽然久远，却和今天的动物很相似；第二个事实，美洲大陆上的同种动物，从南到北，它们的形态逐渐不同；第三个事实，加拉帕戈斯群岛的大多数生物都具有南美洲生物的特征，而群岛各个小岛上的同种生物却又多少有些不同。这些事实，虽然使他产生了物种可变的思想，但是物种为什么会变化，变化的规律又是什么，也就是说，物种到底是怎么起源和发展的，还是个不解之谜。
此外，巨大的好奇心使他对周围的一切事物进行细心的观察研究，探索各种奇异事物的原因，往往从这些看来平凡的研究中获得不平凡的结果。对梅庄园中蚯蚓的研究，使他写出了《论蚯蚓在土壤形成中的作用》这篇杰出的论文。少年时期，对希鲁兹伯里镇上那块奇怪的大钟石的兴趣，使他在环球航行中注意研究冰川对漂泊形成的作用，写出了《论冰川对漂泊形成的作用》一文，发表在《地质学会报》上，引起了地质学界的瞩目，至今仍然是研究冰川问题的重要成就！
1838年，达尔文由于担任了地质学会秘书的职务，虽然薪水微不足道，但是却使他产生了一种自食其力的愉快感，加上发表科学论文得到的报酬，他认为有条件考虑结婚的问题了。他再次到梅庄作短期拜访。埃玛几乎是形影不离地陪伴着他。他毫不拘束地向埃玛倾诉自己的理想抱负和对未来生活的美好向往，并勇敢地向埃玛求婚。
很快，达尔文接到了埃玛全家都同意他们结婚的回音。
1839年1月29日，达尔文满30岁那天，他和埃玛在梅庄教堂举行了婚礼，接着到威尔士度完短暂的蜜月，就带着新娘一道回到伦敦上高尔街12号，他们夫妇之间互敬互爱，过着美满幸福的生活。
随着达尔文在学术界威望的提高，英国皇家学会吸收他为正式会员，许多知名人士都到他家里来拜访。频繁的来客几乎使埃玛应接不暇，可她总是从容不迫、有条不紊地招待着客人，为丈夫的朋友们举办的各种简朴而实惠的家宴，得到了许多客人的称赞。
同年12月27日，埃玛生了一个男孩，取名威廉。这个小生命不但增添了家庭的欢乐气氛，并且成了达尔文研究人类表情问题的观察对象。1841年3月2日，埃玛生了一个女儿，取名安妮·伊丽莎白。这个讨人喜欢却又娇弱多病的小天使，一直是达尔文的掌上明珠。
从这以后，埃玛为这个未来的科学巨人和不断扩大的家庭贡献了一生。可是从1841年开始，达尔文感到自己的健康状况明显地下降了，经常感到周期性的胸闷、胸痛和晕眩，并且非常容易疲倦。如果在这喧嚣的伦敦长期居住下去，再加上那频繁的社交活动，对达尔文的健康都是十分不利的。达尔文非常向往幽静的乡村生活。为了工作和孩子们的健康成长，夫妻俩决心离开繁华的首都搬到偏僻的乡村去。
1842年9月14日，达尔文夫妇终于带着两个孩子，一起搬到了离伦敦大约32千米的唐恩小镇，在父亲和岳父的资助下买下了一幢新居，这是一座18世纪末建筑的三层楼房。从此，达尔文在这个幽静的环境里定居下来，专心致志地从事研究和写作，直到他生命的最后一刻。他除了偶尔短期的外出外，再也没有离开过这里。
在伦敦居住期间，达尔文和莱伊尔的交往频繁，莱伊尔成了达尔文“最有力的朋友”。达尔文感到在他拜访过的伦敦那些“大人物”中，没有一个人像莱伊尔那样友善和仁慈。正像他给一个朋友信里所说的：“再没有比莱伊尔更热心、更和蔼的人了。”初次见面时，莱伊尔听了亨斯洛教授的介绍，说达尔文非常热爱自然科学，遗憾的是他忽视了所学的神学专业。莱伊尔风趣地说：“我看，达尔文先生，你应该是贝格尔号舰的毕业生了，这样说更恰当一些。”
达尔文由衷地向莱伊尔表示感谢说：“在贝格尔号舰上，如果没有先生的《地质学原理》一书的指导，我还真不知道从哪儿开始下手工作呢？事实证明：关于智利海岸近期的升高，还有安第斯山脉地质的变化等等，我都做了考察，先生的理论是非常正确的。”
“关于珊瑚礁的形成呢？”莱伊尔问达尔文，“亨斯洛教授对我说，您在这方面有新的看法。”
“那是您的课题，教授，”达尔文抱歉地说，“我做梦也没有想要闯入您已经研究多年的领域里去瞎说一通。”
“任何人都不应该在科学上划分势力范围，搞圈地运动。”莱伊尔说，“要提倡互相学习，勇于发表新的见解，只要言之成理，我们就应该服从真理。你可以推翻我过去关于珊瑚礁形成的理论，大胆地把论文写出来。”
达尔文和莱伊尔教授一见如故，他们常常在一起畅谈南美洲的地质情况，交换各自的研究所得和体会。达尔文提出地质学方面的任何疑难问题，莱伊尔总是不厌其烦地加以解答。莱伊尔还常常对达尔文的一些新见解提出各种各样的异议，迫使他把问题想得更周到更成熟些。
达尔文不但在学术上十分推崇莱伊尔，就连莱伊尔那种“工作强度以不损害身体健康为限度”的治学精神，也成了他效法的榜样。他仿照着莱伊尔的办法，安排了自己的作息时间。他把一天的时间分作几个阶段，每工作两小时，就去办一些其他事，回来再继续工作。这种用改变工作内容代替休息的安排，真是一种积极休息的好办法。经过一段时间的试验，果真非常有效。
不久，达尔文关于珊瑚礁形成的论文写好了。按照达尔文的观点，珊瑚礁不是由于火山口上升才造成的，而是海底下降，把珊瑚虫带到海洋深处形成的。它和莱伊尔的“火山口上升”理论是针锋相对的。莱伊尔看过这篇论文的初稿以后，好些天里一直都在想着珊瑚礁形成的问题。他没有以地质学权威自居，去压制达尔文，相反他还创造条件，让达尔文到地质学会上去宣读这篇论文。最后，他高兴地接受了达尔文的观点，放弃了自己曾经用来解释过许多地质现象的“火山口上升”理论。
在达尔文发表了几篇地质学和动物学的论文以后，莱伊尔又介绍他参加了英国科学协会，推荐他担任地质学秘书的职务。为了鼓励这个年轻的地质学工作者，莱伊尔还把他心爱的地质锤送给了达尔文。这件不寻常的礼物后来成了这两个密切交往达40年之久的伟大科学家之间真诚友谊的见证。
达尔文和莱伊尔在地质学研究中互相尊重，互相切磋，在共同的奋斗中建立了深厚的友谊，为他们后来在物种起源上互相帮助，共同提高，推动科学的发展，打下了牢固的基础。环球航行，使达尔文产生了物种可以变异，物种不是上帝的分别创造物，《圣经》不可信的思想飞跃。但这还不能解决物种起源的问题。既然物种不是由上帝的力量分别创造出来的，那么，又是由什么力量创造出来的呢？是的，物种可以发生变异，但是，单单有变异还不能形成新物种！物种发生变异后，自然界通过什么方式使变异形成新的物种呢？
达尔文决定首先从研究家养的动物和人工栽培的植物入手，弄清这些在人工的干预下形成的动植物品种是从哪里来的，是怎样发生和发展成目前的品种的。
而当时英国的资本主义农业正迅速发展，为达尔文认识物种变异的普遍性和人工选择的创造性的作用，提供了得天独厚的条件。他废寝忘食地进行了15个月的系统调查，经常和育种家、园艺家交谈、通信，或者向他们发去动植物新品种培育经过的调查表，搜集各种家养动植物和栽培植物的变异材料和培育方法。他还亲自参加实践，认真考查和研究了小麦、玉米等农作物的选育过程，仔细分析和比较鸡、鸭、鹅、牛、羊、猪、狗、猫等家禽家畜各个品种之间的差异。通过调查研究，人类创造出来的这些奇迹使他清楚地认识到：这些优良品种都是“培育者可惊的技巧和坚持不懈的精神”所留下的“永久的纪念碑”。
达尔文根据莱伊尔的方法进行科学研究，莱伊尔那个闪着智慧之光的方法果然向他的研究工作投射了光明，他的思想豁然开朗起来。通过亲自实践，他终于得出了“人工选择”的理论：物种在人工干预下是能够改变的，具有明显不同特征的品种可以起源于共同的祖先。原来家养动物和栽培植物的各种优良品种并不是上帝恩赐人类而分别选择的结果。这种人工选择的作用，说明了在人为条件下能够发生进化，具有明显不同特征的品种可以起源于共同的祖先，在家养动物和栽培植物进化过程中，人起到主导作用。
“人工选择”这个问题解决了，达尔文又向自己提出了另一个问题：那么生存在天然条件下的更大量的物种又是怎样变化的呢？有没有类似人工选择的过程？达尔文继续思索着。
他研究了大量环球航行中所见的例子，得出了结论：在自然界的确存在着类似人工选择的过程。他认为任何一种生物，它产生的后代，不可能都是完全一样的，多少总有些变异，其中，有些变异是可以遗传的。另外，生物必须跟生活的环境作斗争，才能生存和传留后代。在斗争的过程中，那些产生有害于生存变异的，就会被淘汰；那些产生了有利于生存变异的，就会被保留下来。也就是说，一种生物产生的后代，能够适应环境的就生存下来；不能适应环境的，就被淘汰了。他把这个过程叫做“自然选择”。他认为现代生存的各种各样的生物都是由少数原始生物，经过很长很长时间的变异、遗传和自然选择过程，从低级到高级，从简单到复杂，逐渐进化来的，而决不是什么上帝创造的。他把这个想法告诉了他的朋友莱伊尔和霍克以及他的哥哥，并且说：“我要写一本《物种起源》。”
达尔文在著书立说的岁月里，三番五次地患病，对他的情绪影响很大。更为严重的打击是家里发生了3次不幸的事故。一次是他父亲年老体弱，多次中风后，在1848年11月13日去世了，使他很悲恸。另一次，也是使他更加伤心的一次，是他10岁的小女儿安妮在1851年4月23日被猩红热夺去了生命。再一次是1856年6月，当他的《物种起源》写到第十章的时候，他的小儿子又患上了可怕的猩红热永远地离开了他。亲人死亡的痛苦揪住了达尔文的心，他忍受了极大的悲伤，怀着把毕生精力献给科学事业的无比热情，顽强地坚守在为人类工作的岗位上。
没想到在紧张的工作中，一个又一个的困难和意外事件又向他袭来。
1858年夏天，遇到这样一件意外的事。
3年前，达尔文结识了一位朋友，名叫华莱士，他从侨居的马来群岛邮来一篇论文：《论变种无限地离开原始型的倾向》。达尔文打开一看：顿时惊呆了！华莱士的观点和他研究了20余年的自然选择理论竟如此惊人的相似！他说：“即使华莱士手中有过我1842年写过的那个稿子，他也不会写出一个比这手稿更好的摘要来，而现在甚至他用的术语都成了我书中章节的标题。”
面临这样的现实——只要他推荐华莱士，华莱士就将抢先得到发明权了！虽然华莱士在信里只是写道：“如果您认为这篇文章有价值的话，请您转交莱伊尔看一看。”但是正直和忠诚的达尔文却决定：放弃自己20多年来的研究成果和大规模的写作，单独发表华莱士的文章。
然而，熟知达尔文研究成果的莱伊尔和霍克认为这样做是不公平的。最后，在他们的倡议下，达尔文才把华莱士的论文和自己的提纲于7月1日晚同时在“林奈学会”上宣读了。会场上，许多进步的自然科学家满怀喜悦地聆听了这种崭新的进化论学说，而持“神创论”观点的人，尽管感到厌恶，却不敢出来反对。会后，达尔文在莱伊尔和霍克的鼓励下，重新拿起笔杆，继续《物种起源》的写作。
莱伊尔和霍克都诚恳地劝说达尔文：“是应该考虑怎样确立自己的优先权的时候了。”达尔文在荣誉面前表现得十分谦虚。他说：“谢谢你们的关照。不过，依我看，为了寻求名字的优先权就匆匆地发表自己不很成熟的著作，那是很卑鄙的。”
说来真巧，华莱士和达尔文一样，也进行过科学考察活动。在1848年到1852年之间，华莱士同英国生物学家和旅行家贝茨到南美的巴西作生物考察旅行；1854年又去马来半岛采集动植物标本，考察了火山、浅海、岛屿的成因和彼此之间的关系，研究了各个岛上特有物种的来源和相互间的亲缘关系。在丰富的观察资料的基础上，他在1855年2月写成《制约新物种出现的规律》一文，提出：“每一物种出现的当时当地，总存在着一个事先已经有的、并且和它有密切亲缘关系的物种。”就是说，现有的物种不是从天上掉下来的，也不是凭空产生的，而是从它的“前身”变化来的。这是华莱士第一次公开反对物种不变论的教条。