1831年回到斯鲁斯布里后，达尔文收到汉斯洛教授的一封信。他告诉达尔文英女王授命皇家游轮“猎犬号”去完成绘制南美海域航线图的任务，船马上就要出发进行一次环球航行，而船长正在寻找一位年轻的自然学家同行。他问达尔文是否有兴趣。达尔文欣喜若狂，他太渴望周游世界了。然而父亲担心会就此失去自己的儿子，所以想方设法说服达尔文放弃这个念头。但是达尔文心意已决，在得到了叔父约西亚·威杰伍德的支持和帮助之后，父亲不得不同意了。
当时达尔文不知道这次旅行将会意味着什么，甚至不知道自己是否能活着回来。但他渴望去探寻那个未知的世界，以向身边的人们证明他能创造自己的事业。可是他最后还需要获得费兹洛伊船长的同意。费兹洛伊是一位相术师，习惯根据一个人的身材和面貌来判断其性格。他觉得达尔文的鼻子形状不佳，将很难共事，本想拒绝，然而达尔文优雅的举止和对航海的热情征服了他，最后他允许达尔文同行。
达尔文心里充满了对这次航行的美好憧憬，可当真正的“猎犬号”出现在面前时他不禁失望了。那是一艘快速帆船，船体很小，有90英尺长，最宽处也仅有24英尺宽，船舱要蹲下才能钻进去。在当时，这种船只由于船体不十分坚固而被戏称为“漂流的棺材”。狭小的船舱在达尔文看来有种说不出的邪恶。他怀疑74名船员能否在今后的3到5年时间里共同生活在上面。然而，达尔文现在已无退路可走，作为一名绅士他必须信守承诺。
为了等待好天气，船在岸边停泊了几个月之久。有一晚，几个船员喝得酩酊大醉。次日清晨，费兹洛伊船长命令鞭打这些船员。达尔文被这种严格的纪律吓呆了，他怀疑自己能否度过漫长的航行，并因此而焦虑不安，甚至还引发了胸口痛的毛病。“猎犬号”终于出航了，达尔文很快又开始遭受到另外一种折磨——晕船，整天呕吐不止，这是达尔文家族历代以来的通病。睡觉也无法安稳，他们睡的是和整个船舱一样长的通铺，每天随着海浪有节奏地前后摇摆。难以置信的是，达尔文竟以惊人的毅力挺了下来。
两个月后，“猎犬号”在南美登陆。达尔文收到了来自家乡的第一封信，带给他的却是一次沉重的打击——他深爱的女友芬尼·欧文没有等他，已经出嫁了。达尔文被这个消息击倒了，但对大自然的一往情深填补了他内心的空虚。他不知疲倦地搜集着数百种异国生命的化石、皮毛和尸骸。“猎犬号”每到一处，达尔文都是第一个上岸。他同南美草原上的牧人一起深入内陆数百英里，还将那些牧人称作“南美牛仔”。这些人可都是亡命之徒。年轻的达尔文强壮且充满活力，凭借高超的骑术与他们并驾齐驱。他的绅士风度征服了当地的土人和同船的人们。船员们称达尔文为哲学家，并打造了木桶来存放他搜集的那些古怪的动植物标本。他们觉得达尔文从事的是一项神圣而伟大的工作。事实也的确如此，达尔文正一步一步地破译着大自然神奇的密码。在萨尔瓦多的山梁上，他发现了一条窄窄的海贝壳化石带。这些化石十分稳定，然而却要比海平面高出许多。达尔文开始感到疑惑：这里到底发生了什么？是海底的地表升高了，还是海平面下降了？《圣经》中说，地球的表面自从圣洪爆发后就再没有过任何的改变。然而达尔文的观察结果却证明地球是在不断变化的。对科学真理的崇敬使达尔文面临着潜在的风险。
探险途中什么事情都可能发生。在阿根廷，他与凶恶的独裁者胡安·罗伊斯将军发生了冲突。在领取护照时，达尔文称自己为“自然学家”。“什么是自然学家？”独裁者不解地问。通过翻译，罗伊斯明白了自然学家就是对一切都感兴趣的人。他就此得出结论：达尔文一定是一名间谍。无奈之下，达尔文只得设法取悦罗伊斯而获准自由通行。最后，在当地人的护送下，他穿过了茂密的原始森林，直到遇上了提拉弗格野人。达尔文从没想到过会遇上如野兽一般生活的原始人。他简直不能相信上帝造人会有这样大的差别，像他自己以及剑桥大学的教授是那么文明优雅，而这里的人们却如此粗俗野蛮。这次经历使他相信人原本也来自动物王国，地球上的所有生物其实都有亲缘关系，都是自然进化的结果。
当他们途经非洲好望角时遭遇了滔天的巨浪，“猎犬号”连续遭受巨浪的袭击，第三次巨浪险些将船掀翻。船舱已经进水，船体也被撕裂。假如还有第四次巨浪的话，一切都将不复存在。幸运的是，他们又一次闯过了鬼门关。
达尔文对自然科学的热爱丝毫不受危险环境的影响。他定期把搜集到的标本打包，运回给剑桥大学的汉斯洛教授。按说他每到一个港口就应收到来信，但两年来一直没有汉斯洛教授的回音。达尔文开始怀疑自己的努力是否有价值，这次旅行可能只是浪费时间。又过了一段时间，汉斯洛教授终于来信了，他说非常喜欢达尔文搜集的标本，并高度赞扬了达尔文的工作。达尔文高兴极了。汉斯洛甚至在英国科学家中散布达尔文发现动物化石的事情，使达尔文很快就成了一个名人。
然而，这些标本与达尔文在厄瓜多尔邻近的一些小岛上发现的化石相比根本无足轻重。达尔文也没有意识到在加勒比岛屿上的发现，将会彻底改变他的命运和整个西方历史学的传统观点。因为这些小岛给达尔文的第一印象并不美好，从远处看岛上如地狱般荒凉，仔细考察之后，才发现岛上有许多奇怪的异域生物，至今仍生存着史前生物，简直就像一个野外的实验室。这些极不寻常的岛屿直到几百年前才开始有人类定居，而岛上的野生动物似乎丝毫不惧怕人类。达尔文注意到，每个岛上的动物都有几乎相通的生理特征和生活习性。一个岛上的鸣鸟都有很长的嘴，以便于捕食昆虫；而在另一个岛上的鸣鸟则都长着沉重的大嘴，可以很容易地砸碎坚果。达尔文终于认识到所有这些动物物种都来自同一个祖先。《圣经》里说，世上所有的动物在造物之初便已定型。而加勒比地区的动物形态使达尔文相信动物都是会进化的。
达尔文的发现似乎直接向上帝发起了挑战。他在给一位朋友的信中说，“我感到自己好像犯了谋杀罪，然而我真的相信动物是可以进化的”。因为谋杀是顶级的罪行，犯谋杀罪的人都要受到严惩，达尔文觉得自己将要受到严惩。虽然在父亲的安排下，他学过医学和神学以进入上层社会，然而现在他所思考的一切却是在向传统的观念发起挑战，同时也使自己成了一个反叛者。