“貝格爾”號用了一年時間，沿著狹長的智利海岸進行了測量，達爾文也利用這個機會，對面臨太平洋的國家進行了三次陸路探險。這次探險，達爾文蒐集了大量的動植物標本，也不斷尋找著關於物種起源問題的答案。艱苦的探險生活極大地損害了達爾文的健康。在考察時，他患了一次很重的病，劇烈的頭痛使他不得不躺下來，但他堅持工作，頭痛也間歇性地發作。達爾文沿著安第斯山脈進行考察，他準備從法爾巴來索港走到智利首都聖地亞哥，然後再從聖地亞哥走回到法爾巴來索港。此行是為了考察安第斯山脈的地質結構。他首先在西海岸上確定了海岸顯著上升的痕跡，現代的貝殼在離海面有幾百米高的地方出現，有些貝殼層則出現在離海面400米高的地方。發現有貝殼存在的黑紅土壤層，原來是海里的淤泥，它裡面充滿著微小的海洋生物殘餘，達爾文決定進一步考察。

他和科恩曉行夜宿，在安第斯山脈和平原上跋涉。旅行中，他們經過一個鉲礦，在那裡呆了幾天。以前智利開採銅礦的方法特別原始，外國人曾作了兩項根本改進：一是從煉過礦的熔礦爐裡把礦渣掏出來，再加以重新淘洗，就可以得到大量的金屬；二是加強對黃銅礦石的開採，原先當地的礦工常把這種礦石扔掉。達爾文在這裡考察了礦山的地質結構。他還著手勘查金礦。金礦的工人都露出疲憊不堪的神色，他們必須把沉重的礦石從100多米深的地下背到地面上來，再把礦石運到磨房裡，把它們磨成細粉，然後把礦泥排到礦池裡，礦泥在礦池裡沉澱，隨著礦泥硬化，各種鹽就在表面上晶化。一兩年後再把它淘洗，就淘出黃金來。這一過程得重複好幾次。有天晚上，金礦的工人都收工了，而達爾文還沒有找到一個住處，他沿著礦井漫無目的地走著。

突然，他發現從一個井口伸出一隻手來，是一個礦工從礦井裡向上爬，他邊爬邊靠在階梯之上休息著，大口大口地喘著氣，看來他已經是極度疲勞了，看見他那滿是灰塵的面孔和赤裸的上身，他的鼻孔煽動，達爾文不禁從心底湧上一陣憐憫，他連忙跨上幾步，伸出手把那礦工拉出了礦井。那礦工對著遠處金色的夕陽眯了眯眼，大口地呼吸著新鮮空氣，當他喘息略定之後，他打量了一下達爾文，感激地說：“謝謝你，先生，您這是要到哪裡去，您是從什麼地方來的？”“我是從英國來的，我是一名自然科學研究者，我是到這裡來考察的，可是天已經晚了，我正找一個地方住宿，你知道附近可有什麼人家嗎？”那礦工看著達爾文說：“先生如果願意的話，就請住到我家吧，我家離這裡不遠。”達爾文接受了他的邀請，和他一路交談得到了家裡。

女主人十分好客，不斷地端上飯菜招待這尊貴的客人。她還拿出了一種自釀的土酒讓達爾文喝，儘管達爾文感到對這種酸酸的東西不太適應，但是又不忍心拒絕主人的盛情，一杯杯地喝下去。這種酒的威力到了第二天才表現出來，當時，達爾文和科恩正在一條河谷上進行考察，達爾文正全神貫注在一條大蜥賜上，這條蜥蜴身體的前半部呈藍色，顏色從頭到尾逐漸變淡，身體中間有一道道橫紋，翹著黑色的尾巴。達爾文正準備捉住這條蜥蜴放進酒精裡製成標本，突然，他感到腹部一陣劇烈的疼痛，胃部灼燒起來，他大叫一聲，坐到了地上。科恩正在一旁採集植物標本，聽到叫聲後趕忙跑了過來，他見主人身體蜷成一團，臉色蒼白，額頭上滿是虛汗，但是手裡還握著一條蜥蜴不放。科恩知道這條蜥蜴對主人十分重要，趕忙接過蜥蜴，先把它放進酒精瓶中，然後才扶起達爾文，關切地問：“老爺，你怎麼了，哪兒不舒服？”

只有停了下來休息。對於他來說，休息就是幹一些-較輕的活，他到就近的野外去散步，隨手去採集一些動植物標本。以後的幾天內，他的身體狀況越來越差，他以頑強的意志堅持著騎馬回法爾巴來索，可是中途他就從馬上摔了下來，科恩騎馬去僱了一輛馬車，將主人送到城裡去就醫。達爾文雖然不願意躺在床上，可是身體不爭氣也沒有辦法。在養病期間，費支羅伊艦長專門派了醫生來護理他，在醫生和科恩的精心護理下，他的身體漸漸好轉起來，他在他的旅行日記裡寫道：“這真是可痛的時間上的損失，本來，我可以去採集更多的動植物標本。”他沒有為自己的健康受到的損失而難過，他想到的只是他損失掉的時間。達爾文就是這樣地珍惜時間的，他的時間是以小時來計算的，雖然把大部分的時間都用在了考察上，以致忽視了自己的身體。

但他仍感到時間好像不夠用似的，他拼命地工作，以彌補因病而失去的時間。“貝格爾”號結束了在南美大陸的考察，駛向加拉帕戈斯群島。這些群島位於赤道線上，離美洲西部很遠，是一些純粹的火山島。軍艦在這屬於厄瓜多的群島停泊下來。達爾文登上的第一個島叫查塔姆島，島上荒無人煙，地面上佈滿了一層黑色的玄武岩熔岩，被太陽曬得滾燙。達爾文在路上遇見了兩個大烏龜，在那無葉的灌木叢和巨大的仙人掌中，這兩個烏龜看起來就像兩個有生命的礦物。每個烏龜至少有100公斤左右重。它們緩緩地爬向一個池塘，在那裡有一些鮮嫩的仙人掌。當那兩個烏龜要去吃仙人掌時，突然有一些蜥蜴爬了過來同它們搶食，不一會兒就把仙人掌吃光了。達爾文捕捉了幾隻這樣的漸踢，把它們的胃剖開一看，它們吃的幾乎全是海中的藻類。

達爾文還在群島上作了大量的動植物調查，他發現這島上的一些鳥類、爬蟲類、昆蟲和其它種類的生物，都是其它地方所沒有的。例如，他在這裡找到一隻特殊的白兀鷲，一隻鳳頭雞，幾隻厲害的鷸和一隻斑雞，這些動物看起來與南美洲的很相似，但又不相同。此外還有特殊的燕子、花雞等。有一天傍晚，達爾文和科恩圍著篝火在休息，火上放著些食物。這時，一群行動敏捷的秦卡鳥飛來啄食他們的烤肉，科恩站起來趕它們，它們吱吱叫著飛走了。“科恩，你聽，這些秦卡鳥的叫聲和智利的秦卡鳥叫聲有什麼不同嗎？”達爾文說。“沒有啊，老爺，你總是那麼細心，我可沒有聽出它們有什麼不同。”科恩說。“你再認真聽聽”“啊！我聽出來了，老爺，是有些不一樣，可怎麼不一樣，我也說不清楚。”

達爾文說：“科恩，你有沒有發現，這裡許多動植物都和南美大陸上的同種動植物有所差異，更為奇怪的是，這兒各個島上的同一種動植物都有所差異。”達爾文認真地思索著這些有趣的問題。按照當時博物學家們固有的觀點，動物和植物是被它們生存於其中的那一部分環境所決定的。那麼，這些離大陸很遠的土壤性質相同的熱帶島嶼上的動植物群都應，當是相同的，即使這些島嶼彼此相距很遠，只要環，境相同，也應當是如此。比如說，加拉帕戈斯群島上的動植物與美洲大陸的動植物形態相近，而維德角群島上的動植物卻與非洲大陸上的動植物相類似，它們都與它們相接近的大陸的動植物相近，但它們又都與大陸上的動植物有所不同。這就使人們認為它們都是由同一個根源所產生的，同時又認為物種是可變的，是進化的。