Чарльз Дарвин родился 12 февраля 1809 года в Шрусбери, графство Шропшир, в родовом имении Маунт Хаус (англ. ). Пятый из шести детей состоятельного врача и финансиста Роберта Дарвина англ. Robert Darwin и Сьюзанн Дарвин (англ. ) (урождённая Уэджвуд англ. Wedgwood). Он является внуком Эразма Дарвина по отцовской линии и Джозайи Веджвуда по материнской. Оба семейства в значительной части принимали унитарианство, однако Уэджвуд были адептами англиканской церкви. Сам Роберт Дарвин был достаточно свободных взглядов, и согласился с тем, чтобы маленький Чарльз получил причастие в Англиканской церкви, но в то же время Чарльз и его братья вместе с матерью посещали Унитарианскую церковь. К тому времени как он поступил в дневную школу в 1817 году, восьмилетний Дарвин уже приобщился к естественной истории и коллекционированию. В этом году, в июле, умирает его мать. С сентября 1818 года он вместе со старшим братом Эразмом (англ. ) посещает ближайшую Англиканскую Шрусберскую школу (англ. ) как пансионер. Перед тем как отправиться со своим братом Эразмом в университет Эдинбурга, летом 1825 года, он выступает в роли ассистента-ученика и помогает отцу в его медицинской практике, оказывая помощь беднякам Шропшира.
Изучал в Эдинбургском университете медицину. Во время обучения он нашёл, что лекции скучны, а хирургия причиняет страдания, поэтому он забрасывает обучение медицине. Вместо этого он изучает таксидермию у Джона Эдмонстоуна (англ. ), который получил свой опыт, сопровождая Чарльза Ватертона (англ. ) во время экспедиции в дождевые леса Южной Америки, и часто отзывался о нём, говоря: «очень приятный и эрудированный человек» (англ. very pleasant and intelligent man).
В следующем году, будучи студентом кабинета естественной истории, он присоединился к Плиниевскому студенческому обществу, в котором активно обсуждался радикальный материализм. В это время он ассистирует Роберту Эдмонду Гранту (англ. ) в его исследованиях анатомии и жизненного цикла морских беспозвоночных. На заседаниях общества, в марте 1827 года, он представляет краткие сообщения о своих первых открытиях, которые меняли взгляд на привычные вещи. В частности он показал, что так называемые, яйца мшанки Flustra обладают способностью самостоятельно двигаться при помощи ресничек и в действительности являются личинками; в другом открытии он замечает, что маленькие шаровидные тела, которые считались молодыми стадиями водоросли Fucus loreus, представляют собою яйцевые коконы хоботной пиявки Pontobdella muricata. Однажды, в присутствии Дарвина, Грант восхвалял эволюционные идеи Ламарка. Дарвин был изумлён этой восторженной речью, но сохранил молчание. Недавно он почерпнул сходные идеи у своего деда — Эразма, прочтя его Зоономию, и поэтому уже был в курсе противоречий этой теории. В течение второго года пребывания в Эдинбурге Дарвин посещает курс натуральной истории Роберта Джемсона, который охватывал геологию, включая полемику между Нептунистами и Плутонистами. Однако тогда Дарвин не испытывал страсти к геологическим наукам, хотя получил достаточную подготовку, чтобы разумно судить об этом предмете. В это время он изучил классификацию растений и принимал участие в работе с обширными коллекциями в Университетском музее, одном из крупнейших музеев Европы того периода.
Отец Дарвина узнав, что сын забросил обучение медицине, был раздосадован и предложил ему поступить в Кембриджский христианский колледж и получить сан священника Англиканской церкви. По словам самого Дарвина, дни, проведённые в Эдинбурге посеяли в нём сомнения в догматах англиканской церкви. В это время он старательно читает богословские книги, и в конечном счёте убеждает себя в приемлемости церковных догматов и готовится к поступлению. Во время учёбы в Эдинбурге он забыл некоторые основы, необходимые для поступления, и поэтому он занимается с частным преподавателем в Шрусбери и поступает в Кембридж после рождественских каникул, в самом начале 1828 г.
Дарвин начал учиться, но, по словам самого Дарвина, он не слишком углубился в обучение, посвящая больше времени верховой езде, стрельбе из ружья и охоте (благо посещение лекций было делом добровольным). Его кузен Уильям Фокс (англ. ) познакомил его с энтомологией и сблизил с кругом лиц, увлекающимися коллекционированием насекомых. В результате у Дарвина просыпается страсть к коллекционированию жуков. Сам же Дарвин в подтверждение своего увлечения приводит следующую историю: «Однажды, сдирая с дерева кусок старой коры, я увидел двух редких жуков и схватил каждой рукой по одному из них, но тут я увидел третьего, какого-то нового рода, которого я никак не в состоянии был упустить, и я сунул того жука, которого держал в правой руке, в рот. Увы! Он выпустил какую-то чрезвычайно едкую жидкость, которая так обожгла мне язык, что я вынужден был выплюнуть жука, и я потерял его, так же как и третьего». Некоторые из его находок были опубликованы в книге Стивенса (англ. ) «Иллюстрации британской энтомологии» англ. «Illustrations of British entomology».
Он становится близким другом и последователем профессора ботаники Джона Стивенса Генслоу (англ. ). Благодаря знакомству с Генслоу он познакомился с другими ведущими натуралистами, становясь известным в их кругах как «Тот, который гуляет с Генслоу» (англ. «the man who walks with Henslow»). Когда приблизились экзамены, Дарвин сосредоточился на учёбе. В это время он читает «Доказательство Христианства» (англ. «Evidences of Christianity») Уильяма Палея (англ. ), чей язык и изложение восхищают Дарвина. В заключении обучения, в январе 1831 года, Дарвин хорошо продвинулся в теологии, изучил классиков литературы, математику и физику, в итоге стал 10-м в списке из 178 успешно сдавших экзамен.
Дарвин оставался в Кембридже до июня. Он изучает труд Палея «Естественная Теология» (англ. «Natural Theology»), в котором автор приводит теологические аргументы для объяснения природы естества, объясняя адаптацию как воздействие Бога посредством законов природы. Он читает новую книгу Гершеля, которая описывает высочайшую цель естественной философии как постижение законов через индуктивные рассуждения, основанные на наблюдениях. Также особое внимание он уделяет книге Александра фон Гумбольдта «Личное повествование» (англ. «Personal Narrative»), в которой автор описывает свои путешествия. Описания острова Тенерифе, которые приводит Гумбольт, заражают Дарвина и его друзей идеей отправиться туда, по завершении обучения, для занятий естественной историей в условиях тропиков. Для подготовки к этому он обучается на курсе геологии преподобного Адама Седжвика (англ. ), а после отправляется с ним летом на картографирование пород в Уэльсе. Через две недели, вернувшись после непродолжительной геологической поездки по Северному Уэльсу, он находит письмо от Генслоу, в котором тот рекомендовал Дарвина как подходящего человека на неоплачиваемую должность натуралиста капитану «Бигля», Роберту Фицрою, под чьим командованием через четыре недели должна начаться экспедиция к берегам Южной Америки. Дарвин готов был тут же принять предложение, однако его отец возражал против такого рода приключения, поскольку считал, что двухлетний вояж — это не что иное, как трата времени впустую. Но своевременное вмешательство его дяди Джозайи Веджвуда II (англ. ) склоняет отца дать согласие.
В 1831 году по окончании университета Дарвин в качестве натуралиста отправился в кругосветное путешествие на экспедиционном судне королевского флота «Бигль», откуда вернулся в Англию лишь 2 октября 1836 года. Путешествие продолжалось без малого пять лет. Большую часть времени Дарвин проводит на берегу, изучая геологию и собирая коллекции по естественной истории, в то время как «Бигль» под руководством Фицроя осуществлял гидрографическую и картографическую съёмку побережья. В течение путешествия он тщательно записывает свои наблюдения и теоретические выкладки. Время от времени, как только для этого представлялся удобный случай, Дарвин отсылает копии заметок в Кембридж, вместе с письмами, включающими копии отдельных частей его дневника, для родственников. За время путешествия он сделал ряд описаний геологии различных районов, собрал коллекцию животных, а также сделал краткое описание внешнего строения и анатомии многих морских беспозвоночных. В других областях, в которых Дарвин был несведущ, он проявил себя искусным коллекционером, собрав экземпляры для изучения их специалистами. Несмотря на частые случаи плохого самочувствия связанные с морской болезнью, Дарвин продолжал исследования и на борту судна; большинство его заметок по зоологии были о морских беспозвоночных, которых он коллекционировал и описывал во времена затишья на море. Во время первой остановки у берегов Сантьяго, Дарвин обнаруживает интересное явление — вулканические скалы с раковинами и кораллами, спёкшимися под действием высокой температуры лавы в твёрдую белую породу. Фицрой даёт ему первый том «Основ Геологии» (англ. ”Principles of Geology”) Чарльза Ляйеля, где автор формулирует концепции униформизма в трактовке геологических изменений в течение длительного периода . И уже самые первые исследования, произведённые Дарвином в Сантьяго на островах Зелёного Мыса, показало превосходство метода, применённого Ляйеллем. Впоследствии Дарвин принимает и использует подход Лайелля для теоретических построений и размышлений при написании книг по геологии.
В месте Пунта Альта, что в Патагонии, он делает важное открытие. Дарвин обнаруживает окаменевшее гигантское исчезнувшее млекопитающее. Важность находки подчёркивается тем, что останки этого животного находились в породах рядом с раковинами современных видов моллюсков, что косвенно указывает на недавнее исчезновение, без признаков изменения климата или катастрофы. Он определяет находку как малоизвестного мегатерия, с костным панцирем, который, по его первому впечатлению, походил на гигантскую версию местного броненосца. Эта находка породила огромный интерес, когда достигла берегов Англии. Во время поездки с местными гаучо во внутренние районы страны для описания геологии и сборов коллекций ископаемых останков он приобретает представления о социальных, политических и антропологических аспектах взаимодействия коренных народностей и колонистов в период революции. Он также замечает, что две разновидности страуса нанду имеют различные, но перекрывающиеся ареалы. Продвигаясь далее на юг, он обнаруживает ступенчатые равнины, выложенные галькой и раковинами моллюсков, наподобие морских террас, отражающие серию поднятий суши. Читая второй том Лайеля, Дарвин принимает его точку зрения на «центры сотворения» видов, но его находки и размышления заставляют его подвергать сомнению идеи Лайеля о постоянстве и исчезновении видов.
На борту находилось трое огнеземельцев, которых забрали в Англию во время прошлой экспедиции «Бигля» около февраля 1830. Они провели год в Англии и теперь были возвращены обратно на Огненную землю в качестве миссионеров. Дарвин нашёл этих людей дружественными и цивилизованными, в то время как их соплеменники выглядели «жалкими, деградировавшими дикарями», ровно также как отличались домашние и дикие животные между собой. Для Дарвина эти различия в первую очередь продемонстрировали значение культурного превосходства, но никак не расовую неполноценность. В отличие от его учёных друзей, теперь он думал, что не существует непреодолимой пропасти между человеком и животными. Через год эта миссия была заброшена. Огнеземелец, которого назвали Джимми Буттон (англ. ), стал жить так же, как и другие аборигены: у него была жена и не было никакого желания возвращаться в Англию.
В Чили Дарвин стал свидетелем сильного землетрясения и видел признаки, указывающие на то, что земля только что поднялась. Этот поднявшийся пласт включал раковины двустворчатых моллюсков, которые оказались выше уровня высокого прилива. Высок