Setelah pelayaran ini, Darwin mulai mengunjungi pasar-pasar hewan di Inggris. Dia mengamati bahwa pemulia sapi menghasilkan suatu keturunan sapi baru dengan mengawinkan sapi-sapi yang berbeda sifat. Pengalaman ini, bersama dengan keanekaragaman jenis burung finch yang diamatinya di kepulauan Galapagos, memberi andil dalam perumusan teorinya. Di tahun 1859, ia menerbitkan pandangannya dalam bukunya The Origin of Species (Asal mula Spesies). Dalam buku ini dia merumuskan bahwa semua spesies berasal dari satu nenek moyang, berevolusi dari satu jenis ke jenis yang lain sejalan dengan waktu melalui perubahan-perubahan kecil.
Yang membuat Teori Drarwin berbeda dari Lamarck adalah penekanannya pada “seleksi alam”. Darwin berteori bahwa terjadi persaingan untuk kelangsungan hidup di alam, dan bahwa seleksi alam adalah bertahannya spesies terkuat, yang mampu menyesuaikan diri dengan lingkungannya. Darwin mengambil alur berpikir sebagai berikut:
Di dalam satu spesies tertentu, terdapat keragaman alamiah dan karena kebetulan. Sebagai contoh beberapa sapi lebih besar daripada yang lain, sementara beberapa memiliki warna lebih gelap. Seleksi alam memilih sifat-sifat menguntungkan. Jadi, proses seleksi alam menyebabkan peningkatan gen-gen yang menguntungkan dalam satu populasi, yang menjadikan sifat-sifat populasi itu lebih sesuai untuk lingkungan di sekitarnya. Seiring dengan waktu perubahan-perubahan ini mungkin cukup berarti untuk menyebabkan munculnya spesies baru.
Namun demikian, “Teori evolusi oleh seleksi alam” ini memunculkan keraguan sejak awalnya:
1. Apakah “keragaman alamiah dan karena kebetulan” yang dimaksud Darwin? Memang benar beberapa sapi berukuran lebih besar daripada yang lain, sementara beberapa memiliki warna lebih gelap, tetapi bagaimana keragaman ini dapat menyediakan penjelasan bagi keanekaragaman spesies hewan dan tumbuhan?
2. Darwin menegaskan bahwa “Makhluk hidup berevolusi sedikit demi sedikit”. Jika demikian, seharusnya akan hidup jutaan “bentuk peralihan”. Namun tidak terdapat bekas dari makhluk teoritis ini dalam catatan fosil. Darwin berpikir keras pada masalah ini, dan akhirnya sampai pada kesimpulan bahwa “penelitian lebih jauh akan menyediakan bukti fosil ini”.
3. Bagaimana seleksi alam menjelaskan organ-organ kompleks, seperti mata, telinga atau sayap? Bagaimana dapat dipercaya bahwa organ-organ ini berkembang secara berangsur-angsur, sementara harus diingat bahwa mereka akan gagal berfungsi jika satu bagiannya saja hilang?
4. Sebelum memikirkan pertanyaan-pertanyaan ini, simaklah hal berikut ini: Bagaimana organisme pertama, yang disebut Darwin sebagai nenek moyang dari semua spesies, muncul menjadi ada? Bisakah proses alamiah memberikan kehidupan kepada sesuatu yang asalnya benda mati?
Darwin setidaknya sadar atas beberapa pertanyaan ini, seperti yang dapat dilihat dalam bab yang berjudul “Difficulties of The Theory (Ganjalan-ganjalan dari Teori ini).” Namun, jawaban yang ia sediakan tidak memiliki keabsahan ilmiah. H.S. Lipson, ahli fisika Inggris, membuat catatan tentang “ganjalan” Darwin ini sebagai berikut:
Saat membaca The Origin of Species, saya menemukan bahwa Darwin sendiri sangat kurang yakin daripada yang biasa digambarkan orang; bab yang berjudul “Difficulties of The Theory” (Ganjalan-ganjalan dari Teori Ini) misalnya, menunjukkan keraguan diri yang nyata. Sebagai seorang ahli fisika, saya amat terganggu terutama terhadap pernyataannya tentang bagaimana mata bisa terbentuk.1
Darwin menggantungkan semua harapannya pada penelitian ilmiah yang lebih maju, yang diharapnya mampu menghapuskan “ganjalan dari teori ini” Akan tetapi, berkebalikan dengan harapannya, temuan-temuan ilmiah baru yang lebih banyak malahan semakin menambah ganjalan ini.