在很长的一段时间里，达尔文努力寻找着生物进化的证据。

1842年6月，达尔文写下了物种进化理论的简略摘要，但验证这个理论需要庞大而复杂的调查，使得出版一再推迟。直到1856年，达尔文才开始撰写有关物种起源的书作。一切都在有条不紊地进行着，一封信件的到来改变了这一进程。

那是在1858年2月的一天，达尔文正在家中研究有关“物种起源”问题，突然收到一份在马来群岛研究自然史的华莱士（Alfred R.Wallace）先生的手稿，题为“变种无限偏离原始类型的歧化倾向”，文中与他不谋而合地提出了以自然选择为基础的一些进化理论。达尔文震惊不已，不得不加快工作步伐。

同年7月1日，林奈学会会议上，在地质学家赖尔（Charles Lyell）和植物学家胡克（Joseph Hooker）的精心安排下，首次公布了达尔文所写草稿的摘要、达尔文写给格雷（Asa Gray）教授的信件摘要（1857年9月5日），以及华莱士的论文“变种无限偏离原始类型的歧化倾向”，对达尔文和华莱士的物种进化理论给予了充分的肯定。

1859年11月，达尔文的《物种起源》正式发表。华莱士敬佩达尔文的完美阐述，不得不承认达尔文对问题研究的深度和广度超过了自己，因此，豁达地将此理论称为“达尔文学说”，并甘愿成为达尔文的“骑士”。可惜的是，华莱士后来将灵学纳入自然科学，成为达尔文主义的“异端”，最终被贴上了“生物学背叛者”的标签。

在构思进化论时，达尔文也曾苦恼过：为何如此多的物种广布于世界各地，同一种植物为什么能在大洋洲和南美洲同时发现呢，难道只有上帝的创造才能解释这一切？

然而，经过长久的思索并在证据支持下，达尔文终于在《物种起源》这部书里，旗帜鲜明地提出了“进化论”的思想。他指出物种在不断地变化之中，由低级到高级、由简单到复杂演变。生物可以因所在环境的不同而发生适应性的改变，这就解释了“为什么在世界的不同角落，会有那么多不同的物种，即使同一物种也会发生不同程度的变异”。

《物种起源》的问世，犹如一石激起千层浪，第一次以全新的生物进化思想与大量的确凿证据，推翻了“神创论”和物种不变的理论。这在整个科学界乃至全世界引起不小的轰动，达尔文的名字也真正为人们所知晓。

变异是偶然的、无意识的，而偶然性的变异是进化的前提条件。达尔文深信，“选择的累积作用，似乎是最有影响力的力量”。他以家养条件下的变异为出发点，阐述了“自然造就了连续的变异，人类在对自己有用的方向上积累了这些变异”，并且“大量无意识并且缓慢累积起来的变化，导致我们无法辨认花园和菜园里长久栽培的植物野生原种”。

自然选择学说是达尔文自然进化论的核心，即“过度繁殖、生存竞争、遗传变异、适者生存”，认为生物都有无限制繁衍后代的欲望，而实际生存空间和能获取的食物是有限的，所以生物之间必须为生存而斗争。同一种群中存在着少量变异，有的变异更能适应环境，因此具有这些有利变异的个体将存活下来，并繁殖后代，不具有有利变异的个体就被淘汰。经过长期的自然选择，微小的变异得到积累而成为显著的变异，由此可能导致亚种甚至新物种的形成。

但是，变异的性状是如何遗传的呢？达尔文没能得出合理的解释，当时的科学家仍在不断探索。

1856—1863年，奥地利遗传学家孟德尔（Gregor J. Mendel）通过8年的豌豆杂交试验发现了性状的遗传规律，并在“植物杂交试验”论文中提出著名的基因分离和自由组合定律，即新的生物学特征是通过遗传因子的重组而产生的。

然而，在长达数十年的时间里，孟德尔遗传理论与达尔文进化论一直未能真正结合。哪些变异的性状会遗传给下一代，哪些不会遗传？达尔文及其追随者绞尽脑汁思考着，直到1882年4月19日达尔文去世后，他们依然在黑夜中摸索。

实践是检验真理的唯一标准。在经历了人类漫长的自然科学的探索过程之后，强调“物种变异，适者生存”的达尔文生物进化论才逐渐为科学家们所证实和接受。

虽然达尔文去世了，人们对物种进化理论的探讨仍然没有停止，越来越多的科学家认同进化论的观点，并对它逐渐补充和完善。后来，达尔文生物进化论，连同细胞学说与能量守恒定律，被恩格斯誉为“19世纪自然科学的三大发现”之一。