Το ταξίδι αυτό διήρκεσε περίπου 5 χρόνια. Στα ηφαιστειογενή νησιά του Πράσινου Ακρωτηρίου ελέγχει την εγκυρότητα του συγγράμματος του Τσαρλς Λάιελ «Αρχές της Γεωλογίας», αποδεχόμενος το δόγμα του ομοιομορφισμού, ότι δηλαδή η εφαρμογή των φυσικών νόμων διά μέσου των γεωλογικών αιώνων είναι ομοιόμορφη. Συνέχεια, στην πενταετή του ερευνητική εκστρατεία, ο Δαρβίνος μελέτησε μια μεγάλη ποικιλία γεωλογικών χαρακτηριστικών, απολιθώματα και ζώντες οργανισμούς και συνάντησε πολλούς διαφορετικούς λαούς, ιθαγενείς και αποίκους. Συγκέντρωσε με μεθοδικότητα τεράστιο αριθμό δειγμάτων, πολλά από τα οποία ήταν καινούρια για την επιστήμη. Αυτό εδραίωσε τη φήμη του ως φυσιοδίφη και τον κατέστησε έναν από τους προδρόμους στον τομέα της οικολογίας.
Στη Βραζιλία έρχεται σε επαφή για πρώτη φορά με το τροπικό δάσος και στην Αργεντινή ανακαλύπτει τα πρώτα απολιθώματα. Στη Γη του Πυρός συναντά μια φυλή τόσο πρωτόγονη, που δύσκολα θα χαρακτηριζόταν ανθρώπινη. Στη Χιλή υπήρξε μάρτυρας σεισμού και παρατήρησε τις επιδράσεις του στην ανύψωση του εδάφους και τη σχέση του με ηφαιστειακή έκρηξη. Στα υψίπεδα των Άνδεων τον δάγκωσαν νοσογόνα έντομα. Μετά τα νησιά Γκαλαπάγκος επισκέφθηκε την Ταϊτή, τη Νέα Ζηλανδία, την Αυστραλία, τη Νήσο Μαυρίκιο, τη Νότιο Αφρική, τα νησιά της Αγίας Ελένης και της Αναλήψεως και επέστρεψε στην Αγγλία τον Οκτώβριο του 1836.
Όλο το έργο του στηρίζεται στις παρατηρήσεις και στη συλλογή υλικού κατά τη διάρκεια του επιστημονικού αυτού ταξιδιού. Όμως ,τα ενδιαφέροντα του Δαρβίνου ήταν, αρχικά, γεωλογικά και οι παρατηρήσεις του οδήγησαν στη συγγραφή τεσσάρων βιβλίων: «Ημερολόγιο Ερευνών για τη Γεωλογία και τη Φυσική Ιστορία των Τόπων Επίσκεψης του Μπιγκλ», «Δομή και Κατανομή των Κοραλλιογενών Υφάλων», «Γεωλογικές Παρατηρήσεις σε Ηφαιστειογενή Νησιά» και «Γεωλογικές Παρατηρήσεις στη Νότιο Αμερική». Τα έργα αυτά επισκιάστηκαν από την εξελικτική θεωρία, με αποτέλεσμα να παραμεληθούν από τους μεταγενέστερους, παρ’ όλο που υπήρξαν θεμελιακά για το μετέπειτα έργο του.
Γεωδίφης με πληροφορίες από την Βικιπαίδεια