达尔文已经意识到物种随时间环境发生变化，接下来的思考是什么力量推动物种的进化？
达尔文儿童时期在农场度过，其实苦心寻觅的部分答案就在眼前，而这就是我们所说的变异，即动物有时会产生与亲本类型特征不同的后代。长期以来，农民们一直在利用这种现象对动物进行繁育和杂交，并且通过多次传代从发生自然变异的后代中进行选择。作为一名充满好奇心的博物学家，当达尔文从遥远的加拉帕戈斯群岛回到英格兰时，他出乎意料地发现每个地区都拥有自己的奶牛品种。不过达尔文与那些饲养员都明白，动物的繁育过程绝非偶然事件。虽然这些奶牛来源于共同的原始祖先，但是人们却可以通过选择育种创造出新的品种。
达尔文知道，将物种变异与人工选择进行巧妙地组合将产生惊人的效果。鸽子可以看起来像公鸡或孔雀，而狗可以有短毛、长毛、杂色、花斑、弓形腿、无毛、直立尾、凶狠、温顺、胆小、谨慎以及好斗等性状。但是，最终改变奶牛、狗与鸽子性状的力量还是掌握在人类手中。
1798年，马尔萨斯以笔名发表了《人口论》（An Essay on the Principle of Population）这篇颇具煽动性的文章，他认为人口增长与有限资源之间的矛盾无法调和。马尔萨斯据此推断，随着人口不断增长，生活资料将逐渐耗尽，个体之间的竞争将变得更加激烈。随后人类社会将面临世界末日的考验，“各种流行病和瘟疫肆意泛滥，数以万计的生命会因此终结”，最后“食物将在人口之间”重新分配。那些侥幸逃过“自然选择”的人会再次面对这种残酷的循环，就像希腊神话中绝望的西西弗斯（Sisyphus），而人类也将在饥荒的胁迫下四处流浪。
在马尔萨斯的文章中，达尔文终于找到了他梦寐以求的答案。达尔文写到“我突然想到，在这种环境下（自然选择），有利变异将被保留而无利变异将被清除。其结果就是形成某个新的物种。”最能够适应环境的个体，意味着最适合生存（“适者生存”源自马尔萨斯主义经济学家赫伯特·斯宾塞）。然后这些幸存者将会产生更多类似的后代，推动物种内部发生进化。
1839年，达尔文完成理论框架的概述；1844年将关键精炼成255页的文章寄给朋友私人阅读，并未对外正式发表。
1855年，名叫阿尔弗雷德.拉塞尔.华莱士的年轻博物学家发表了一篇和达尔文理论极其相似的文章。华莱士在马来群岛发现河道内近缘物种之间的差异令人吃惊。华莱士重新回顾了马尔萨斯的文章。“答案显而易见……适者生存……只要通过这种方式，动物机体的任意部分都可以根据需要发生改变。”甚至于他的思想语言（变异、突变、生存与选择）都与达尔文的著述存在惊人的相似。尽管加拉帕戈斯与马来群岛相距遥远，但是这两位背景迥异的科学家最终却殊途同归。
1858年6月，华莱士将自己概括的自然选择理论寄给了达尔文，达尔文对华莱士理论和自己的相似性感到震惊，惊慌失措至于带着自己的手稿找到赖尔，赖尔建议他将两篇论文同时提交给即将召开的林奈学会会议，这样两人可以共同分享此项发现带来的荣誉。
达尔文原本打算将所有发现整理完成后一并发表，可是他现在只能在仓促之间完成这部具有重要意义的著作。1859年11月24日，达尔文《物种起源》正式出版发行，首印1250本，当天售罄。达尔文的理论在受到热捧的同时也招致了多方的批判。或许达尔文颇有先见之明，他谨慎地表达了该理论对于人类进化的意义：《物种起源》通篇只有一行叙述涉及人类祖先，“人类的起源与历史终将得以阐明”，这也许是那个时代谦卑的科学表述。
