Покинув южноамериканский континент, Бигль  отправился на северо-запад в сторону отдаленного Галапагосского архипелага, состоящего примерно из дюжины близкорасположенных островов Тихого океана. Эти острова преимущественно вулканического происхождения отличаются удивительной геологией и множеством видов животных, которые не встречаются ни в каком другом месте планеты. Среди них особенно выделяются гигантские черепахи, которым острова обязаны своим названием. Длина окружности одной из черепах, измеренных Дарвином, достигала семи футов (2 м). Были там и игуаны, и птицы — олуши, древесницы, вьюрки. Клювы вьюрков, в зависимости от их пищи, отличались по форме и размеру, и Дарвин разделил их на несколько подсемейств. Он не заметил, что различные острова служили местообитанием различных животных, пока на это не обратил внимание Николас Лоусон (Снова волшебники? О да, вскоре окажется, что это уже случилось…). Зато он заметил, что пересмешники, обитающие на островах Чарльза и Чатема (сейчас это Санта-Мария и Сан-Кристобаль), относятся к разным видам; теперь, будучи более внимательным, он смог обнаружить еще один вид на острове Джеймса (Сан-Сальвадор). Но Дарвин не проявлял серьезного интереса к мелким изменениям видов или их связям с особенностями местной географии. Он смутно представлял себе некоторые идеи относительно изменения, или «трансмутации», видов — хотя бы даже от своего деда Эразма, — но этот вопрос не вызывал в нем интереса, так что у Дарвина не было причин искать факты за или против этих идей.

Далее Бигль  посетил Таити, Новую Зеландию и Австралию. Чудеса, свидетелем которых стал Дарвин, вскоре приведут к радикальным изменениям нашего мира. Но на тот момент осознание увиденного к нему еще не пришло.

Правда, на Таити он впервые увидел коралловый риф. Прежде чем покинуть Австралию, Дарвин задался целью выяснить происхождение коралловых островов. Лайель предполагал, что основанием рифа должна быть вершина подводного вулкана, так как коралловые животные обитают только на мелководье, где в достатке есть солнечный свет. Помимо прочего, это объясняло кольцеобразную форму рифа. У Дарвина теория Лайеля вызывала сомнение. «Гипотеза о том, что в основании кораллового острова с диаметром в 30 миль лежит подводный кратер такого же размера, всегда казалась мне нелепой». На этот счет у него была собственная теория. Дарвин уже знал, что земля может подниматься, так как видел это в Андах. Он пришел к выводу, что если в одном месте земля поднимается вверх, в другом она должна опуститься вниз, чтобы восстановить равновесие земной коры. Предположим, что в начале формирования рифа он находится на мелководье, но затем морское дно начинает медленно опускаться, в то время как коралловые полипы продолжают строительство рифа вблизи поверхности. В итоге возникает огромная коралловая гора, основанием которой к тому моменту уже служит морское дно — она целиком построена крошечными созданиями, которые, возводя риф, не покидают верхних слоев воды. А как же форма? Она возникает после того, как остров с растущим по краям кораллом погружается в воду. После этого в середине остается дыра, но риф по-прежнему продолжает расти вверх.

Домой Дарвин вернулся через пять лет и три дня после отплытия из Плимута. Прервав свой завтрак, его отец взглянул на сына. «Надо же», — сказал он, — «у него изменилась форма черепа».

Мысли об эволюции не посещали Дарвина во время путешествия на Бигле . Он был слишком занят сбором образцов, составление геологических карт, ведение записей и морской болезнью, чтобы организовать свои наблюдения в связную теорию. Но вскоре после окончания путешествия он был избран членом Королевского Геологического Общества. В январе 1837 года он представил свою вступительную статью, посвященную геологии побережья Чили. Он предположил, что изначальны Анды находились на дне океана, но впоследствии поднялись на поверхность.