Эволюционные исследования
После путешествия Дарвин начал вести систематические записи по эволюции. С 1837 по 1839 годы он создал серию записных книжек, в которых набросал в кратком и отрывочном виде мысли об эволюции. В 1842 и 1844 гг. он в два приема изложил в кратком виде набросок и очерк по происхождению видов. В этих работах уже присутствуют многие идеи, которые позднее были им опубликованы в 1859 г.
В 1854-1855 гг. Дарвин вплотную приступает к работе над эволюционным сочинением, собирает материалы по изменчивости, наследственности и эволюции диких видов животных и растений, а также данные по методам селекции домашних животных и культурных растений, сопоставляя результаты действия искусственного и естественного отбора. Он начал писать труд, объем которого он оценивал в 3-4 тома. К лету 1858 года он написал десять глав этого сочинения. Этот труд так и не был завершен и впервые был опубликован в Великобритании в 1975 году. Остановка в работе была вызвана получением рукописи А. Уоллеса, в которой независимо от Дарвина были изложены основы теории естественного отбора. Дарвин начал писать краткое извлечение и с не свойственной ему поспешностью завершил работу за 8 месяцев. 24 ноября 1859 г. было издано "Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь".
Историческая заслуга Дарвина состоит в том, что он совместно с Уоллесом вскрыл движущий фактор эволюции - естественный отбор и тем самым выявил причины протекания биологической эволюции.
Во всем мире бушевали страсти, шла борьба за Дарвина, за дарвинизм, с одной стороны, против дарвинизма - с другой. Гудели аудитории, волновались ученые и публицисты, одни клеймили Дарвина, другие им восхищались, а Дарвин продолжал работать в своем Дауне
Дарвин написал еще три книги по вопросам эволюции. В 1868 г. выходит большой труд Дарвина по теории искусственного отбора "Изменение домашних животных и культурных растений". В этой книге, не без влияния критики, Дарвин задался вопросом о том, каким образом могут фиксироваться благоприятные уклонения в потомствстве, и выдвинул "временную гипотизу пангенезиса". Гипотиза предполагала передачу с помощью гипотетических частиц - "геммул" - благоприобретенных свойств от органов тела к половым клеткам и была данью ламаркизму. Дарвин и его современники не знали, что в 1865 году австро-чешский естествоиспытатель аббат Грегор Мендель открыл законы наследственности. Гипотеза пангенезиса уже широко не нуждалась в создании.
В 1871, когда дарвинизм был уже принят в качестве естественнонаучной концепции, выходит книга Дарвина "Происхождение человека и половой отбор", в которой показано не только несомненное сходство, но и родство человека и приматов. Дарвин утверждал, что предок человека может быть найден по современной классификации, среди форм, которые могут быть даже ниже, чем человекообразные обезьяны. Человек и обезьяны подвергаются сходным психологическим и физиологическим процессам в ухаживании, воспроизведении, рождаемости и заботе о потомстве. Русский перевод этой книги появился в том же году. В следующем году выходит книга Дарвина " Выражение эмоций у человека и животных", в которой на основе изучения лицевых мышц и средств выражения эмоций у человека и животных еще на одном примере доказывается их родство.
Ботаника и физиология растений
Все ботанические и физиологические исследования Дарвина были направлены на поиск доказательств естественного происхождения адаптаций под воздействием естественного отбора. Он обнаружил, что деревья склонны иметь цветок одного пола, а появление перекрестного опыления ведет к росту гибридной силы (гетерозису). Роль перекрестного опыления и коэволюции видов (растение - насекомое) было им детально изучено у орхидей.
Дарвин развил концепцию о способности к лазанию как адаптации, в результате которой растение весьма экономично достигает света. Такая адаптация была приобретена лазящими растениями в ходе борьбы за существование. Дарвин проследил градации (переходы) между разнообразными приспособлениями у растений к лазящему образу жизни и установил, что наиболее совершенной группой среди лазящих растений являются усиконосные лианы.
Наконец, в 1881, за год до смерти, Дарвин публикует большую работу, посвященную роли дождевых червей в почвообразовании.
Энциклопедичность Дарвина, его исключительный авторитет как естествоиспытателя, корректность и дипломатичность, проявляемые им в дискуссиях, внимание к точкам зрения оппонентов и критиков, доброжелательное отношение к ученикам и последователям, почтительность по отношению к старшим коллегам и другие "неподражаемо высокие достоинства" (И. И. Мечников) в немалой степени способствовали быстрому рапространению учения Дарвина во всем мире.