ビーグル号の航海を終えたダーウィンは、その知見の成果を元に地質学者としての地位を確立し、やがて「自然選択説(自然淘汰説とも・natural selection)」つまり今で言う「進化論」の基礎研究を深めていきます。
とはいえ、生物学に「進化」(evolution　theory)という概念を持ち込んだのは、ダーウィンはダーウィンでも、ダーウィンの祖父であり詩人・哲学者のエラズマス(Erasmus Darwin)でした。さらにそれにさきがけ、生物学という学問そのものの創始者ジャン-バプティスト・ラマルク（Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck)が「生物は長い期間の間に必要な形質・機能を発達させ、不要な形質や機能は衰えること、その傾向が親から子へと伝えられる」と提唱し、進化論に先鞭をつけました。

しかし、それらの先人の主張は観察や証拠に基づいた科学ではなく、直観と想像、分類学から類推された「空想」であり、たとえば祖父のエラズマスは、古い学説の前成説(精子もしくは卵子に、人間の雛形があらかじめ入っているとする説)を信じ、精虫の頭部の中に、ホムンクルスのような小人がたたみこまれて入っていると信じていました。それらと決別してダーウィンは確固とした証拠と理念の基づいた体系的な生物進化の概念を「自然選択」という大著としてまとめようとしていたのです。

たとえば遺伝子形質が両親世代から子世代に生殖細胞を通じて受け継がれる、というシステムを既に知っている私たちには理解できることも、メンデルの遺伝の法則すらまだ世に出ていなかったダーウィンの時代には謎だらけで、一体生物が祖先から子孫へ、何をどう介して形質や経験を受け継がせているのか、科学的に説明するのは困難でした。ダーウィンは「ジェミュール」(Gemmules)という物質を想定し、それが体内の各部位で得た情報・経験を蓄積して生殖細胞に送られて子孫に送り込まれる、というシステム「パンゲン説」を唱えてこの問題を説明しようとしました。しかし、その他にも多くの実証を必要とする障壁があり、ダーウィンの研究は難航しました。

そうこう格闘するうち、ダーウィンを敬愛する若き博物学者アルフレッド・ラッセル・ウォレス（Alfred Russel Wallace)がアマゾン、東南アジアの探検を通して、ダーウィンとまったく同じ自然選択説にたどりつき、1858年、それをまとめた論文(テルテナ論文)を書簡でダーウィンに送り意見を求めます。
ダーウィンは、自分と同程度かそれ以上に進んだウォレスの卓越した見解と理論に驚愕し、ウォレスの論文を自身の過去の仮説をまとめたエッセイとともにリンネ学会で発表し、長年温めていた学説を正式に世に公表しました。さらに執筆中だった「自然選択」を中断して、その内容をコンパクトにまとめた抄論文を短期間に纏め上げ、1859年11月24日に発表します。これこそが「種の起源」でした。

ダーウィンのこうした一連の行動は、自身の学説を、まったく同じ学説にたどりついたウォレスに先を越されることを恐れたためとも言われ、後年批判を受けることになりますが、庶民出身というハンデが元からあったウォレスがその後人魚の研究や霊魂の研究などオカルティズムに傾倒して信用を失墜させていくことを思えば、ダーウィンという権威があってこそ功績が認められたともいえますし、逆にともすると優柔不断で迷走しがちなダーウィンだけだったらもしかしたらお蔵入りしたかもしれないところを、ウォレスの行動力と強い信念が後押しして、「種の起源」を発表させた、ともいえます。二人の関係は終生親密であったといわれます。