Cuando regresa a Inglaterra es considerado como un geólogo experto y publica varios trabajos en ese campo y en el de la fauna del continente sudamericano. A partir de 1837 profundiza en el estudio de las plantas y animales domésticos. La lectura de la obra de Malthus en 1838 induce a que Darwin pueda establecer que la lucha por la existencia promueve que las variaciones favorables tiendan a ser conservadas y las menos adecuadas destruidas. El resultado de este fenómeno sería el origen de nuevas especies. En 1842, Darwin escribió un resumen de su teoría en 35 páginas, dos años después la amplió a 230. En junio de 1858 recibe un manuscrito de Alfred R. Wallace , naturalista que había trabajado en la cuenca amazónica y en el archipiélago malayo, que planteaba una teoría de la evolución basada en la selección. Darwin recibe un gran impacto al leer las mismas tesis en las que lleva trabajando varios años. Sus amigos Lyell y Hooker le aconsejan que presenten a la vez, a la comunidad científica, el artículo de Wallace y una síntesis de la obra de Darwin. Ambos presentan y publican simultáneamente sus trabajos en la Sociedad Linneana de Londres.
En 1859 publica su libro El origen de las especies. Darwin explica en su obra que el punto de partida de su teoría es la existencia de variaciones hereditarias. Pero sólo una parte de los organismo sobrevive y se reproduce y la mayoría muere antes de dejar descendencia. Basándose en la experiencia adquirida por los ganaderos y los agricultores que realizan una selección artificial, Darwin propone que algunas variables hereditarias tienen que ser más ventajosas que otras para los individuos que las poseen. En definitiva, los que presentan variables hereditarias ventajosas tiene una mayor probabilidad para sobrevivir y reproducirse.
La publicación del Origen de las especies provocó una controversia sin precedentes en la sociedad de su tiempo. Científicos, clérigo e intelectuales se enzarzaron en un debate, defendiendo o atacando las ideas de Darwin. Los detractores se centraron sobre todo en el origen de los humanos a partir del mono como tesis ofensiva e inaceptable. Darwin continuó con sus investigaciones sobre las variaciones de animales y plantas domésticos y más tarde publicó La descendencia del hombre y la selección en relación al sexo, obra en la que aplica las teorías evolucionistas a la especie humana. En los últimos años de su vida se dedicó al estudio de las emociones humanas y a la participación de las lombrices de tierra en la fabricación del humus entre otros trabajos. Falleció el 19 de abril de 1882.
Wallace continuó investigando sobre la evolución y la selección natural el resto de su vida aunque, a diferencia de Darwin, negó que la selección natural fuese suficiente para explicar el origen del hombre. El hecho de que el nombre de Darwin haya tenido una mayor repercusión que el de Wallace en la idea de la selección natural se debe fundamentalmente a que Darwin desarrolló la teoría con mucho más detalle y presentó un mayor número de evidencias.
Aunque otros científicos precedieron a Darwin en proponer cambios en las especies a lo largo del tiempo, la teoría de la evolución incluye la importancia de la selección natural como mecanismo responsable de determinar su curso y explicar el diseño de los organismos.
