Darvin bu səyahətinin ardınca İngiltərədəki heyvan bazarlarını gəzməyə başladı. Maldarlıqla məşğul olanların müxtəlif inək cinslərini cütləşdirərək yeni cinslər əldə etdiklərinə şahid oldu. Qalapaqos adalarında gördüyü fərqli alacəhrə növlərini də bu müşahidələrinə əlavə etməklə beynində bir nəzəriyyə formalaşdırmağa başladı. Nəticədə bu fikirlərini 1859-cu ildə nəşr edilən "Növlərin mənşəyi" adlı kitabında açıqladı. Bu kitabda bütün canlı növlərinin ortaq bir əcdaddan əmələ gəldiyini, ancaq zamanla kiçik dəyişikliklərlə bir-birlərindən təkamüllə törədiyini iddia edirdi.
Darvinin nəzəriyyəsinin Lamarkın nəzəriyyəsindən fərqli cəhəti "təbii seçmə" anlayışını xüsusi vurğulaması idi. Təbii seçmə təbiətdəki həyat uğrunda mübarizədə güclü və ya mühitin şərtlərinə daha uyğun olan canlıların həyatda qalması deməkdir. Darvin belə məntiq qurmuşdur:
"Bir canlı növünün daxilində təbii və təsadüfi fərqlər olur. Məsələn, bəzi inəklər daha böyük, bəziləri daha tünd rənglidir. Bu dəyişikliklərin hansının üstünlüyü varsa, o xüsusiyyət təbii seçmə ilə seçilə. Beləliklə, sözügedən üstün xüsusiyyət o heyvan sürüsündə hakim rol oynayar. Bu xüsusiyyətlərin uzun zaman ərzində toplanması ilə ortaya yeni növ çıxar" .
Ancaq Darvinin irəli sürdüyü bu "təbii seçmə ilə təkamül" nəzəriyyəsi elə lap əvvəldən bir çox sualı də özü ilə bərabər gətirmişdi. Darvinin "təbii və təsadüfi fərqlər" dediyi şey əslində nə idi? Bəzi inəklərin daha böyük, bəzilərinin daha tünd rəngli doğulduğu doğru idi, lakin bu fərqlər milyonlarla bitki və heyvan növünü necə açıqlaya bilərdi?
1) Darvin "canlılar mərhələli şəkildə təkamül keçirmişdir" deyirdi. Belə olduqda çox sayda "ara növ" yaşamalıydı. Amma fosillər (daşlaşmış canlı qalıqları) arasında bu nəzəri canlılardan əsər-əlamət yox idi. Darvin bu problem üzərində çox baş sındırmış və nəticədə "bu fosillər gələcəkdə tapıla bilər" deməyə məcbur olmuşdu.
2) Canlıların göz, qulaq, qanad kimi kompleks orqanları təbii seçmə ilə necə açıqlana bilərdi? Tək bir toxumasının əksik olduğu halda, funksiyalarını itirən (heç bir işə yaramayan) bu orqanların "mərhələli şəkildə" inkişaf etdiyini necə müdafiə etmək olardı?
3) Bütün bunlardan əlavə, Darvinin "bütün canlıların ortaq əcdadı" dediyi ilk canlı orqanizm necə əmələ gəlmişdi? Cansız maddə təbii proseslərlə canlıya çevrilə bilmədiyinə görə, Darvin ilk canlının əmələ gəlməsini necə açıqlayacaqdı?
Darvin bu problemlərin ən az bir hissəsini bilirdi. Kitabına əlavə etdiyi "Nəzəriyyənin çətinlikləri" (Difficulties on theory) adlı bölmədə bunları qəbul etmişdi. Ancaq bu problemlərə verdiyi cavabların elmi əsası yox idi. İngilis fizik H.S.Lipson Darvinin bu "çətinlikləri" haqqında belə deyir: "Növlərin mənşəyi"ni ilk dəfə oxuduqda Darvinin əslində özündən o qədər də əmin olmadığını anlamışdım. "Nəzəriyyənin çətinlikləri" adlı bölmə açıq şəkildə şübhə doğurur. Bir fizik kimi gözün necə əmələ gəldiyi ilə bağlı izahlarına təəccübləndim.
Darvin elmi araşdırmalar davam etdikcə "Nəzəriyyənin çətinlikləri"nin aradan qalxacağına ümid edirdi. Lakin əksinə, yeni elmi kəşflər bu çətinlikləri daha da böyütdü.