Pubblicata per la prima volta il 24 novembre 1859, in essa Darwin spiegava la sua teoria dell'evoluzione, riportandovi le osservazioni che egli stesso aveva compiuto durante una spedizione, secondo cui «gruppi» di organismi di una stessa specie si evolvono gradualmente nel tempo attraverso il processo di selezione naturale, un meccanismo che venne reso noto per la prima volta a un pubblico non specialistico proprio grazie a questo libro. L'opera contiene dettagliate prove scientifiche che l'autore ebbe il tempo di accumulare sia durante il secondo viaggio del HMS Beagle nel 1831, sia al suo ritorno, preparando diligentemente la sua teoria e, contemporaneamente, rifiutando quella più in voga fino a quel tempo, il creazionismo, che ritiene le specie come il frutto della creazione di Dio e quindi perfette ed immutabili.

Il libro risultò accessibile anche ai non specialisti e suscitò da subito un grande interesse.

Il 29 gennaio 1839 nella chiesa di St. Peter a Maer, Darwin sposò Emma Wedgwood, sua cugina di primo grado, con la quale si era fidanzato l'11 novembre 1838. Emma, di notevole spessore intellettuale e di elevata cultura, costituì per Darwin un punto di riferimento continuativo e costante. Tra le altre cose, collaborò alla revisione dei testi prodotti con annotazioni e consigli, aiutò Darwin nelle relazioni con i colleghi di altre nazionalità grazie alla sua ampia conoscenza linguistica e ne supportò i frequenti malesseri e difficoltà.

Sulla base di tali riflessioni, e in sintonia con i Principi di geologia di Charles Lyell e il Saggio sul principio di popolazione di Malthus (in cui si teorizzava il concetto di disponibilità di risorse alimentari intesa come limite alla numerosità delle popolazioni animali), Darwin scrisse gli Appunti sulla trasformazione delle specie. Ben consapevole dell'impatto che la sua ipotesi avrebbe avuto sul mondo scientifico, Darwin si mise a indagare attivamente alla ricerca di eventuali errori, facendo esperimenti con piante e piccioni e consultando esperti selezionatori di diverse specie animali. Nel 1842 stese un primo abbozzo della sua teoria, e nel 1844 iniziò a redigere un saggio di 240 pagine in cui esponeva una versione più articolata della sua idea originale sulla selezione naturale. Fino al 1858 (anno in cui Darwin si sarebbe presentato alla Linnean Society di Londra) non smise mai di limare e perfezionare la sua teoria.

Con la teoria evoluzionistica Darwin dimostrò che l'evoluzione è l'elemento comune, il filo conduttore della diversità della vita. Secondo una visione evolutiva della biologia, i membri dello stesso gruppo si assomigliano perché si sono evoluti da un antenato comune. Secondo questo modello le specie sono originate in un processo di “discendenza con variazione”. Fatto ancora più importante, nel suo trattato sull'origine delle specie, Darwin propose la selezione naturale come meccanismo principale con cui la variazione porta alla speciazione e dunque all'evoluzione di nuove specie.

La teoria evoluzionistica di Darwin si basa su tre presupposti fondamentali:

Riproduzione: tutti gli organismi viventi si riproducono con un ritmo tale che, in breve tempo, il numero di individui di ogni specie potrebbe non essere più in equilibrio con le risorse alimentari e l'ambiente messo loro a disposizione.

Variazioni: tra gli individui della stessa specie esiste un'ampia variabilità dei caratteri; ve ne sono di più lenti e di più veloci, di più chiari e di più scuri, e così via.

Selezione: esiste una lotta continua per la sopravvivenza tra gli individui all'interno della stessa specie e anche con le altre specie. Nella lotta sopravvivono gli individui più adatti, cioè quelli che meglio sfruttano le risorse dell'ambiente e generano una prole più numerosa.

Darwin affermò che l'evoluzione di nuove specie avviene attraverso un accumulo graduale di piccoli cambiamenti casuali. Quelli positivi, cioè favorevoli alla sopravvivenza dell'individuo che ne è portatore, fanno sì che quell'individuo possa riprodursi più facilmente e quindi trasmettere le proprie caratteristiche ai discendenti. Ciascuna specie presenta un proprio adattamento all'ambiente evolutosi mediante la selezione naturale; comprendere in che modo gli adattamenti si sono evoluti per selezione naturale è il compito della biologia evoluzionistica.

La teoria dell'evoluzione delle specie è uno dei pilastri della biologia moderna. Nelle sue linee essenziali, è riconducibile all'opera di Charles Darwin, che vide nella selezione naturale il motore fondamentale dell'evoluzione della vita sulla Terra. Ha trovato un primo riscontro nelle leggi di Mendel sull'ereditarietà dei caratteri nel secolo XIX, e poi, nel XX, con la scoperta del DNA e della sua variabilità

In riferimento alla competizione tra individui, Darwin, ispirandosi a Thomas Malthus, descrisse il concetto di "lotta per l'esistenza", che si basava sull'osservazione che gli organismi, moltiplicandosi con un ritmo troppo elevato, producono una progenie quantitativamente superiore a quella che le limitate risorse naturali possono sostenere, e di conseguenza sono costretti a una dura competizione per raggiungere lo stato adulto e riprodursi.

Il Beagle attraversò l'Oceano Atlantico, compì dettagliate rilevazioni idrografiche lungo le coste della parte meridionale del Sud America, poi passò l'Oceano Pacifico, raggiunse Tahiti e l'Australia per poi concludere la circumnavigazione del globo. La spedizione era inizialmente pianificata per durare due anni, ma in realtà ne furono impiegati ben cinque.

Il capitano fu Robert FitzRoy, che aveva preso il comando della nave durante il primo viaggio del Beagle dopo il suicidio del capitano Pringle Stokes. Fitzroy, temendo che la solitudine lo portasse ad una analoga depressione, chiese a Francis Beaufort, organizzatore della spedizione, di avere a bordo un gentleman di compagnia, ad esempio un naturalista che raccogliesse reperti ed osservazioni sulle terre sconosciute che si apprestavano a visitare. Fu così interpellato John Stevens Henslow, che dopo il rifiuto di Leonard Jenyns propose Darwin, allora ventiduenne. La scelta cadde sul giovane naturalista, nonostante Fitzroy fosse inizialmente contrario. I suoi tratti del volto indicavano infatti, secondo il capitano, adepto della frenologia, una mancanza di carattere