回到英国后，达尔文开始整理和研究他在航行中收集的大量资料。1838年，他偶然读了托马斯·马尔萨斯的《人口论》，从中得到了重要的启发。马尔萨斯指出，人口增长的速度总是超过食物供应的增长速度，这导致了生存竞争。达尔文从中领悟到，生存斗争在生物生活中具有重要意义，并意识到自然条件是生物进化中的“选择者”。不同的自然条件会导致不同的选择结果，从而推动物种的演变。
1842年，达尔文开始撰写一份关于进化论的大纲，并逐渐将其扩展为多篇论文。然而，他对发表这些研究成果非常谨慎，担心会引起宗教和科学界的强烈反对。1858年，年轻的博物学家阿尔弗雷德·华莱士独立提出了类似的进化论观点，并将他的文章寄给了达尔文。在好友的建议下，达尔文决定将华莱士的文章和他的部分论稿一同提交给林奈学会。这一举动标志着进化论的正式提出。
1859年11月24日，达尔文的巨着《物种起源》正式出版，立即引起了巨大的轰动。在这本书中，达尔文提出了“自然选择”理论，认为生物种群在自然环境的压力下，通过微小的变异和遗传，逐渐演化出适应环境的新物种。这一理论彻底颠覆了当时流行的神创论和物种不变论，引发了科学界和社会的广泛讨论。《物种起源》初版1250册在当天即告售罄，随后多次再版，成为科学史上的一部经典着作。
尽管《物种起源》的成功为达尔文赢得了广泛的声誉，但他本人却尽量避免卷入对进化论的争议。当宗教狂热者攻击进化论与《圣经》的创世说相违背时，达尔文继续专注于科学研究，撰写了《家养动物和栽培植物的变异》（1868年）、《人类的由来及性选择》（1871年）和《人类和动物情感的表达》（1872年）等重要着作。这些书籍进一步丰富和完善了他的进化论体系，为现代生物学、遗传学、生态学等学科的发展奠定了基础。
1882年4月19日，达尔文在达温宅逝世，享年73岁。他的葬礼在威斯敏斯特大教堂举行，葬于牛顿的墓旁，以表彰他对科学的巨大贡献。
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