Dalam perjalanan menjelajahi dunia selama lima tahun, Darwin sangat takjub terhadap beragam spesies burung finch dan kura-kura raksasa di Kepulauan Galapagos. Pada burfung finch mempunyai kemiripan antara yang satu dengan yang lainnya, hnamun bentuk paruhnya yang berbeda. Darwin berhipotesis, adanya variasi pada paruh burung-burung finch dikarenakan oleh proses adaptasi habitat. Darwin mengemukakan teori Evolusi karena adanya ketakjuban terhadap burung-burung finch tersebut.
Pada gambar di atas tampak bahwa terdapat berbagai jenis burung finch. Menurut Darwin, burung finch yang terdapat di Kepulauan Galapagos semula berasal dari satu spesies burung finch pemakan biji yang terdapat di daratan Amerika Selatan. Burung-burung itu bermigrasi karena faktor makanan. Selama bermigrasi burung-burung itu terdampar di tempat yang berbeda-beda. Burung-burung itu harus mencari makanan, terutama biji-bijian seperti di daerah asalnya agar dapat bertahan hidup. Sementara itu, beberapa burung finch mencoba mencari jenis makanan lain, seperti serangga, madu, kaktus, dan buah. Akibat proses adaptasi terhadap variasi jenis makanan inilah burung-burung finch itu akhirnya mempunyai bentuk paruh yang bervariasi. Burung finch pemakan serangga mempunyai paruh tebal, lurus, dan berlidah pendek. Sementara burung finch pemakan kaktus mempunyai paruh lurus dan agak panjang. Selain burung-burung finch, Darwin juga mengamati kura-kura raksasa di Kepulauan Galapagos. Darwin melihat adanya dua jenis kura-kura yang sangat berbeda pada epulauan itu. Kura-kura Galapagos berukuran besar dengan tipe cangkang yang melengkung seperti kubah. Kura-kura ini ditemukan pada habitat basah. Sementara itu, di kepulauan lain yang habitatnya kering, ditemukan kura-kura berukuran kecil dengan cangkang berbentuk pelana. Menurut Darwin, penyebabnya adalah adanya perbedaan habitat. Dari sini, pemikiran Darwin mengenai variasi makhluk hidup mulai berkembang.
Fenomena burung finch dan kura-kura Galapagos tersebut menimbulkan gagasan Darwin dan menyatakan bahwa individu-individu yang beradaptasi pada habitat mereka dengan baik akan mewariskan sifat-sifat mereka yang unggul kepada generasi berikutnya. Lebih jauh Darwin menyatakan bahwa sifat-sifat unggul atau menguntungkan ini lama-lama terakumulasi dan mengubah populasi menjadi spesies yang sama sekali berbeda dengan nenek moyangnya. Berdasarkan hal ini pula Darwin menganggap manusia merupakan spesies paling maju. Melalui mekanisme ini pula spesies baru akan terbentuk. Oleh Darwin, mekanisme ini dinamakan evolusi melalui seleksi alam dan mempublikasikan pandangannya tersebut dalam bukunya yang berjudul The Origin of Species, By Means of Natural Selection pada tahun 1859. Darwin banyak mempelajari buku-buku karya ilmuwan lain untuk memperkuat hipotesisnya. Buku-buku tersebut di antaranya buku Principles of Geology karya Charles Lyell (1797–1875) yang terbit pada tahun 1830 dan buku The Principles of Population karya Thomas Malthus yang terbit pada tahun 1798.
Berdasarkan tulisan Charles Lyell, Darwin mendapat masukan bahwa bumi mengalami perubahan terus-menerus, sehingga hal ini menyebabkan adanya variasi karena pengaruh alam. Sementara itu dalam tulisan Malthus, dikatakan bahwa populasi tumbuhan dan hewan (termasuk manusia) cenderung mengalami peningkatan secara geometri, sedangkan persediaan pangan cenderung meningkat secara aritmatis. Keadaan ini mengakibatkan pangan yang tersedia lebih sedikit daripada yang membutuhkan. Akibatnya, terjadilah perebutan makanan di antara makhluk hidup yang memiliki jenis makanan sama. Berdasarkan pandangan tersebut, Darwin menyimpulkan adanya seleksi alam berdasarkan ketersediaan pangan. Di samping itu, ada juga seleksi alam berdasarkan kondisi habitat, iklim, dan lain-lain. Makhluk hidup yang memenangkan persaingan dapat melangsungkan kehidupannya. Sebaliknya, yang kalah dalam persaingan akan mengalami kepunahan. Secara ringkas teori Evolusi yang dikemukakan Darwin memuat dua hal pokok berikut.
- Spesies yang berkembang sekarang berasal dari spesies-spesies yang hidup pada masa lampau.
- Evolusi terjadi melalui seleksi alam.