Darwin is de grondlegger van de moderne evolutietheorie: de theorie dat alle soorten planten en dieren zich uit voorgaande vormen hebben ontwikkeld, dat een evolutie heeft plaatsgehad. Deze leer werd later het darwinisme genoemd.

Darwin was aanvankelijk helemaal niet overtuigd door de evolutiegedachten van zijn grootvader Erasmus Darwin, omdat diens ideeën speculatief waren. Maar tijdens een reis om de wereld met het oorlogsschip Beagle (1831-1836) deed Darwin als jong onderzoeker waarnemingen die leidden tot een ommekeer in zijn opvattingen. Deze waarnemingen hadden betrekking op drie gebieden:

a. de waarnemingen van de fauna van de Galápagoseilanden, waar hij had geconstateerd dat verschillende soorten vinken (zie ook darwinvinken) van eiland tot eiland iets van elkaar verschillen en dat iedere soort aangepast was aan haar specifieke milieufactoren;

b. de waarneming in Zuid-Amerika dat sommige soorten uit een levensgemeenschap vervangen kunnen worden door andere soorten die, hoewel gelijk in levensgewoonten, daar toch morfologisch (zie morfologie) van verschillen;

c. de vondsten van fossiele overblijfselen van grote op gordeldieren lijkende vormen die met beenplaten (beenachtige schilden) bedekt waren. Uitgaande van de werkhypothese dat soorten evolueren en uit elkaar ontstaan, begon Darwin toen al zijn waarnemingen te toetsen om zijn nieuwe theorie meer bewijskracht te geven.

In 1842 gaf Darwin vorm aan zijn gedachten in een korte schets, die hij in 1844 uitbreidde tot een essay. Deze werden echter allebei niet gepubliceerd. Ten slotte overtuigden Charles Lyell (1797-1875) en Sir William Jackson Hooker hem zijn werk te publiceren. Ondertussen was Alfred Russel Wallace (1823–1913) begonnen hetzelfde vraagstuk te onderzoeken. Begin 1858 werkte Wallace op de Molukken en schreef vandaar zijn theorie aan Darwin. Uit zijn conclusie bleek dat hij, onafhankelijk van Darwin, tot dezelfde oplossing was gekomen. Hun gezamenlijke verklaring werd op 1 juli 1858 voor de Linnean Society of London (vereniging voor biologen) voorgelezen en op 1 augustus van dat jaar gepubliceerd. Darwin schreef vervolgens zijn bewijsmateriaal neer in zijn boek On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life, dat op 24 november 1859 verscheen.

De theorie van Darwin is in wezen gebaseerd op vier uitgangspunten, die later juist bleken te zijn:

1. alle individuen binnen één soort vertonen toevallige variaties in alle kenmerken en eigenschappen;

2. alle organismen produceren veel meer voortplantingscellen dan er ooit volwassen nakomelingen zullen ontstaan;

3. het aantal individuen binnen een soort blijft min of meer constant (the average numbers of a species);

4. daarom moet er in de strijd om het bestaan (struggle for existence, struggle for life) een hoge sterfte optreden.

Hieruit trok Darwin drie conclusies:

1. sommige variaties zullen in de strijd om het bestaan een grotere overlevingskans hebben dan andere (survival of the fittest), en de ouders van de volgende generatie zullen op een natuurlijke manier geselecteerd worden uit die individuen die het meest doeltreffend zijn aangepast aan hun milieu (natural selection, zie natuurlijke selectie);

2. de erfelijkheid zorgt ervoor dat de nakomelingen op hun ouders lijken;

3. daardoor zal de verkregen verbeterde aanpassing behouden blijven.

Eerst durfde Darwin de consequenties van zijn theorie wat betreft de afstamming van de mens niet te publiceren. Zijn theorie was niet in overeenstemming met het christelijke wereldbeeld van het creationisme, de leer dat alle planten, dieren en mensen door een scheppingsdaad van de Schepper afzonderlijk geschapen zijn. Volgens Darwin was er sprake van een geleidelijke natuurlijke evolutie en hadden de mens en de apen dezelfde voorouder. Deze theorie stuitte op veel weerstand van de Kerk. Darwin publiceerde zijn theorie pas in 1871, in het boek The descent of man. Dit boek leverde hem nog meer vijanden op dan hij al had sinds zijn publicatie van On the origin of species in 1859.