从1854年9月开始，达尔文把全部时间都用来整理大量有关物种变异问题的笔记，同时进行了与此有关的观察和试验。他在“贝格尔”号上的航行期间，看到了一些深受感触的事实：第一，在潘帕斯的地层中，发现了庞大的动物化石，它们具有背甲，同现在生存的犰狳的背甲相似；第二，动物的亲缘关系相近的种，随着南美洲大陆自北向南逐渐发生一定的交替变化；第三，加拉帕戈斯群岛的大多数生物都具有南美生物的性状；更加特别的事实是：这个群岛中的各个岛屿上的同种生物，其性状却也彼此略有差异；从地质观看来，任何一个岛屿都并不是古老的。
毫无疑义，观点只有依据一种推测，就是物种在逐渐地发生变异，才可以去解释这一类事实以及其他很多事实；因此这个问题一直萦绕在他的脑际。可是，他同样清楚，不论是周围环境的作用，或者是生物的意志，特别是在植物的情形方面，都不能够解释各类生物极其良好的适应于自己的生活习惯这无数的事例。例如：啄木鸟和雨蛙对于爬树的适应，或者一粒种以它的刺钩或簇毛来用于传播的适用。这些行之有效的情形，时常使达尔文感到惊奇不止。他以为，在它们还得不到解释以前，要采用间接的证据去证实物种曾经变异这个观点几乎是不可行的。
达尔文丝毫不根据任何已有的理论，去极其广泛地搜罗证据，其中特别多的是家养植物的事实。他采取的办法是：印发问题调查表；同经验丰富的动物育种家和园艺工作者进行交谈；还阅读大量有关的书刊。他曾经查看各种书刊目录，其中有各会出版的大批成套的期刊和论文。达尔文就是通过这种勤奋精神使自己理解到，人工选择就是人类创造动物和植物的有用族类的基本原理。可是，怎样才可以把选择应用到那些自然状况下生活的生物方面，这在相当长的时间内对他来说，依旧是一个谜。
达尔文把马尔萨斯的《人口论》中的论据用在动植物的身上，认为在物种的食物供应保留不变时，有机物便有以几何级数增加的倾向。他拿一次产数百个卵的苍蝇、一次产数千个种子的树和一对大象的例子来证实他的想法。他估计，一对大象，要不加以制止，过500年，就会为世界提供1500万后代。除了人类，动物似乎不会使群体在世界上过剩。苍蝇的卵被吃掉了，或者是遭到其他方式的破坏；大多数种子不能发芽；甚至大象的后代也免不了灾害的侵袭。选择在于环境、气候、土壤、食物供应和捕食者。引人注目的松鸡便受到了猛禽的选择，深红色的李子比黄色的李子易于遭受植物病害。在选择过程中既无计划，又无最终目的。如果说选择作用的话，那么，就必定不仅有过剩的东西可供选择，而且有变种。于是在达尔文的头脑中出现一个想法，就是在这些自然环境条件下，有利的变异应该有被保存的趋势，而无利的变异则应该有被消灭的趋势。这样的结果，应该会引起新种的形成。因此，最后，达尔文终于获得了一个用来指导工作的理论。可是，他为了竭力避免先入为主的成见，决定在相当一段时间内不把它写出来，甚至连最简略的摘要也不写。
从1842年6月起，达尔文才用铅笔把自己的理论草写成35页很简略的概要。1844年夏季，他又把这篇概要增充为230页，而且仔细誊清，妥善保存起来。
不过，达尔文却忽略了一个意义极其重大的问题，这个问题就是同一根源产生的生物，其性状随着它们发生变异而有分歧的趋势。显然可见，因为人们能够把所有的一切物种分类归入于属内，把属归入于科内，把科归入于亚目内，等等。而且根据这个分类原则，就可以得出结论：它们的性状有显着的分歧。当他在头脑中得出这个问题的解答时，他真是高兴极了。那时他正坐在马车上赶路。直到很多年后，他还清楚地记得这条路上的地点。这个问题的解答就是：一切占优势的、数量在增加着的类型的变异的后代，都有一种能够在自然经济状态下去适应很多条件极不相同的地区的趋势。达尔文为了让自己的理论更准确、更具有说服力，他还向与自己有通讯联系的人提出许多问题来探讨，如与赖尔、胡克等人的商议，从1855年起，他开始同美国植物学家爱沙·葛雷通信。这期间使达尔文感到有兴趣的问题准备是同物种一书有关系的东西。他向爱沙·葛雷询问某一科植物的物种占美国植物区系物种的总数的比例。他感兴趣的还有各种植物区系相近的物种，他请葛雷为他指出这样的物种，哪怕是在旧的校样里指出也行。达尔文给他的信里写道：“我对于一些相近的物种所下的定义是：这是一些可以认为是不同物种的生物，但也可以认为是任何其他优秀的植物家可能把它们看成亚种或变种还可以认为它们是与任何其他物种难以区别的一些生物。”
还是在1856年初的时候，赖尔就建议达尔文尽可能完整地阐述自己的进化观点，因此达尔文也就马上开始写他的物种一书。但这并不是众所周知的《物种起源》。该书本来要更加详细，它的篇幅要比原来的多两三倍。但是赖尔建议在准备这部内容丰富的书时，立刻发表他的观点的概要，以便抢先取得理论上的优先权。达尔文认为这是不可能的：他的学说是由许多论点组成的，而每个论点都需要用事实来证明，忽视这些证明，在他看来是不可思议的。他不同意赖尔的意见：“我很痛恨为了取得优先权而从事写作这种想法。当然，如果有人先于我发表了我的理论观点，我也会感到懊恼的。”赖尔的建议使达尔文举棋不定，感到烦躁不安。尽管赖尔列举有利于这个观点概要的论据是很有说服力的，但是，在几乎没有任何证明的情况下，写一个教条式的理论概要，这同达尔文的信念和习惯是矛盾的，这使他感到很不痛快。
他把自己的动摇和不安告诉给一贯对他很热情的朋友胡克。
《物种起源》问世前的最后一段时间内，达尔文经过一番痛苦的思想斗争之后，写作所需要的概要意图也失败了。
他决定按原计划办，即使要花费很多时间，也要写一部详细的而且有充分论据的物种巨着。1858年8月，航海家和动物标本搜集家华莱士的手稿对于达尔文着作完成帮助很大。
朋友们劝达尔文不必再写新的概要，而林纳学会提出可能证明自己最低限度的概要是：第一，《1844年概要》中的《自然选择》第一章；第二，1857年7月5日，达尔文致爱沙·葛雷的那封信。这封信对表明达尔文的观点从1844——1857年依然未变这一事实是必要的。达尔文在自传中回忆，1842年，他在唐恩呆了好多年后，忽然发现这个原则。他又说祖先与所有生物随着自己的特征起变化的倾向有所不同，证明这一原则的基础在于自然界中兴旺发达的生物变异后代，在自然界中占据了尽可能多的资源，这说明现代分类的原则仍然是极其重要的。
这三个文件中上面提出的达尔文给爱沙·葛雷的信和华莱士的《论变种的倾向》，使达尔文的朋友感到惊奇，因为他们认为他本来很早就应该交给学会。1858年7月1日，协会召开了全体会员的紧急会议，选举协会副主席，以接替逝世的植物学家罗伯特·布朗。6月29日，达尔文派人把全部材料送给胡克。6月30日，材料被胡克和赖尔同时交给宾尼节纪。
7月1日，达尔文没有出席林纳学会会议。华莱士这一事件以及家庭琐事把他弄得情绪低落，更何况他的身体非常不好。达尔文和华莱士的论文是由学会书记按照惯例宣读的。
1858年7月1日，林纳学会会议的全部记录，赖尔和胡克给学会的信，以及达尔文和华莱士的整个报告，都在8月份的学会杂志上发表了。
由林纳学会报告而引起的反应和家中各种不安使达尔文感到非常痛苦，于是他到怀特岛的海边去旅游。
当不能搜集资料而拖延写作时，他便回来准备写关于物种这部巨着的《摘要》。根据笔记本上的标记，达尔文还是在怀特岛上的三塘开始这一工作的。从7月20日到8月12日，他每天工作几个小时，但是，他很快就感觉到，《摘要》比他估计的要长得多。他可以把说明某些论点的根据限制在最低限度内，但为了不贬低自己的思想，他也不能完全抛弃这些证据不用。在林纳学会胡克建议把书分成许多部分单独报告，达尔文表示同意。他要立即发表《动物和植物在家养下的变异》，不然他将感到遗憾，因为这一部分已同其他部分十分紧密地联系在一起。
早在1858年9月，在英国科学协会开幕式上，动物学家理查德·奥温，在大会上分析了“物种创造或形成”的问题。
叙述了达尔文和华莱士的观点之后，他试图将创造力不断起作用和预先规定的生物形成原理相结合。生物的目和种应该一个接一个繁衍下去，因此“创造出来的东西不断地弥补已灭绝的东西”。他认为，达尔文和华莱士只是把他的“原理”推广到用变种代替典型生物。
不过，正如斯尔索博利指出的，这位着名的生物学家在他的发言里想误导人们两个对应的观点。部分拥护者认为，物种起源是通过创造活动；另一部分认为，物种起源是进化达尔文的“自然”进程。这次发言对达尔文的事业起到了促进作用。
因为理查德·奥温的发言是在代表大会广大听众中讲的，英国最着名的学者和技术专家都出席了大会。会后，人们期待着达尔文着作的发表。
可是《摘要》的写作进展缓慢。直到1859年3月，他才写好关于地理分布的一章，并把它寄给胡克审阅。3月16日，达尔文终于写完了最后一章。
赖尔想知道出版商是否愿意出版达尔文的书。达尔文在3月底得到消息，他的书愈来愈有利于出版，便非常高兴地接受了在穆瑞那里出版的想法。
达尔文建议书名是《关于通过自然选择的物种和变种的起源一书的摘要》，但穆瑞坚持将书名定为《摘要》。赖尔反对“自然选择”这个术语。达尔文对此坚持己见。他认为这些术语是畜牧家常用的，对于表明家养动物和野生动物的选择或者育种原则的共同性是很合适的术语，他只限于说明“在生存斗争中保存那些得天独厚的品种”这一术语。
该书稿在4月初开始排版，到6月校样已发出来了。因为达尔文觉得文体十分差劲，所以非常坚决地修改了。后来穆瑞说他“几乎是全部重新写了一遍”。他努力使文体清楚，事实准确，另外，他又把校样寄给了自己的朋友赖尔和胡克检查。他期待他们俩还会在事实和论据上改正一些错误。
清样终于在10月1日校完。这时，健康状况向来就不佳的达尔文到约克郡的艾克雷水疗机构休养去了。在那里头3个星期，不太习惯的闲散却使他重新拥有了体力，促使他能够继续为胡克审阅《澳洲植物志》的结论部分。
《依据自然选择和物种起源》(简称《物种起源》）1859年11月24日出版了1250册并在当天销售一空，虽然达尔文认为书的价格有点过高。
为什么第一版能如此畅销呢？这是因为在林纳学会会议进行期间，大博物学家达尔文正准备写一部优秀的物种起源方面图书的消息，引起了人们越来越大的兴趣。古生物学家奥温在利兹会议上的发言已为这本书的出版做了宣传。
由于华莱士事件的影响，达尔文不得不放弃本已开始撰写的关于物种的大部头着作。这部着作他早已构思好了，但不得不改变最初的计划。推迟了“巨着”，大大减少了叙述内容，缩减了引用的证据数目，于是，《物种起源》一书问世了，这一年达尔文已50多岁。