达尔文深知，物种变化的观点一旦发表，将会遭到教会的激烈反对，而且人们也不会轻易相信物种是变化的，他必须以确凿的证据说明物种为什么会变化。
回国后，他首先搜集动物、植物在家养情况下变异的事实。
他印发了许多调查表，向动物饲养家和植物育种家搜集资料，还广泛阅读书刊，包括中国的农书。
当时英国社会掀起一股养鸽热，经常举办鸽子展览和竞赛。达尔文也参加了两个养鸽俱乐部。
达尔文发现，家鸽的品种至少有20种以上，有的嗉囊肥大，有的鼻子很高，还有的尾羽很大，像一把扇子……他对各种类型的家鸽进行了解剖，结果发现这些家鸽虽然外型差别很大，内部构造和骨骼却相差不多。他又进一步调查了这些家鸽的饲养史，原来，它们都是由一种野生鸽——岩鸽演变来的，是人为干涉使它们演化为不同种类。
例如有一种突胸鸽，它的嗉囊像个皮球似的挂在胸前，那是开始时，人们发现有的鸽子的嗉囊比别的鸽子大一些，于是就专门挑选嗉囊大的鸽子交配，经过几代连续交配，最后就培育出了突胸鸽。
他还考察了世界各地的马。马的颜色各种各样，有白的、黑的、栗色、花斑的……马的类型也有许多种，有跑马、驮马，而原始的马是黄棕色的，个子也很小。
野马怎样变成种类繁多的家马呢？主要是人工选择的作用。一旦马的颜色有一点变异，人们喜欢什么颜色的马，就把它保存下来加以繁殖，并加以训练，变成了良种跑马。
达尔文还观察了金鱼、细毛羊、奶牛、狗及各种花卉，他得出结论，是人类把家养生物改变得那样完善。他写道：“具有不同特征的动植物品种可能起源于共同的祖先，这在人工干涉下，逐渐形成了人们需要的新品种，我概括为人工选择。”
使他感到迷惑难解的是，自然界的新物种又是怎么形成的呢？这个问题日夜萦绕在脑际中，连乘车时也在思索着。
1838年10月的一天，为了消遣一下，他拿起了一本马尔萨斯的《人口论》看，忽然，他心中的谜被解开了。
马尔萨斯写着，任何动物的繁殖速度都大于它们食物的增长速度，这样就会有一部分生物在生存竞争中死亡，从而使动物和它们的食物达到新的平衡。比如森林中有50头梅花鹿，个个长得都很健壮。随着鹿的增多，森林中的食物变得不够吃了，于是大批的鹿死亡，只有身体强壮的鹿幸存下来。
他想到在北大西洋马德拉岛上的昆虫，它们当中大部分翅膀都退化了，不能飞，而少数翅膀又特别发达。达尔文现在明白了，原来马德拉岛上经常刮大风，那些会飞的昆虫大部分都被刮到海里淹死了，只有少数翅膀特别发达的，或爬在地上不会飞的昆虫才被保存下来，经过许多年，岛上就只剩下翅膀特别发达或不会飞的昆虫了。
自然环境就是这样选择生物，通过生存斗争，适者生存，生物不断进化着，达尔文把这叫做自然选择。
达尔文把他的想法告诉了他的朋友地质学家赖尔和植物学家虎克，开始动手撰写他的巨著《物种起源》。
