Ο Δαρβίνος ήταν Άγγλος φυσιογνώστης και ταξίδεψε σε όλον τον κόσμο για πέντε χρόνια συλλέγοντας φυτά, ζώα και απολιθώματα. Παρόλο που σπούδαζε για να γίνει γιατρός, σύντομα προτίμησε να ασχοληθεί με τη φυσική ιστορία και έμαθε την τέχνη της ταρίχευσης των ζώων από κάποιον απελευθερωμένο σκλάβο. Ένας από τους πρώτους του μέντορες ήταν ο γεωλόγος Charles Lyell, του οποίου το βιβλίο με τίτλο «Αρχές της Γεωλογίας» παρέθετε διάφορες απόψεις για τόπους, που αναδύθηκαν ή εξαφανίστηκαν αργά καλύπτοντας τεράστιες χρονικές περιόδους. Ο Δαρβίνος συντάχθηκε με αυτές τις απόψεις και απέρριψε τις καταστροφές, παρόλο που διαπίστωσε μαρτυρίες από δραματικές αλλαγές πάνω στη Γη, μεταξύ των οποίων τα κοχύλια στις Άνδεις και στις ακτές της Χιλής, που είχαν ανυψωθεί από κάποιο σεισμό.
Ο Δαρβίνος ενδιαφέρθηκε για τη θεωρία της «μεταστοιχείωσης των ειδών», την οποία είχε εισηγηθεί ο Λαμάρκ για να περιγράψει τη μεταβολή του ενός είδους σε άλλο. Μια άλλη επιρροή δέχθηκε από το «Δοκίμιο στις Αρχές του Πληθυσμού» του Thomas Robert Malthus, το οποίο υπερασπιζόταν τον έλεγχο του πληθυσμού για τη διατήρηση του τροφικού εφοδιασμού. Ο Δαρβίνος έγραφε: «Τον Οκτώβριο του 1838, δηλαδή δεκαπέντε μήνες αφότου είχα ξεκινήσει τη συστηματική μου έρευνα, διάβασα κατά τύχη για να ψυχαγωγηθώ το βιβλίο του Malthus. Έτσι, προετοιμάστηκα καταλλήλως για να εκτιμήσω τον αγώνα για επιβίωση, ο οποίος διεξάγεται παντού κατόπιν μακράς παρατήρησης των συνηθειών των φυτών και των ζώων. Αμέσως αντιλήφθηκα ότι κάτω από τέτοιες περιστάσεις οι ευνοϊκές ποικιλίες θα διατηρούνταν και οι μη ευνοϊκές θα καταστρέφονταν. Αποτέλεσμα αυτού θα ήταν ο σχηματισμός νέων ειδών. Έτσι, είχα τουλάχιστον μια θεωρία από την οποία να ξεκινούσα...».
Η θεωρία του Δαρβίνου περί της «φυσικής επιλογής» ήταν παρόμοια με εκείνην, που είχε εισηγηθεί ο φυσιογνώστης Alfred Russell Wallace. Έτσι, την 1η Ιουλίου 1858 οι εργασίες τους παρουσιάστηκαν μαζί στην Κοινωνία του Λινναίου. Το 1859 ο Δαρβίνος δημοσίευσε το πρωτοποριακό του έργο με τίτλο «Περί της Προελεύσεως των Ειδών», όπου εξέθετε τη θεωρία του σχετικά με τη φυσική επιλογή, βάσει της οποίας τα ευνοϊκά κληρονομούμενα γνωρίσματα γίνονται περισσότερο συνηθισμένα στις επόμενες γενεές των αναπαραγόμένων οργανισμών, ενώ τα μη ευνοϊκά γίνονται λιγότερο συνηθισμένα.
Έθεσε, επίσης, σοβαρό ζήτημα για την «κοινή καταγωγή», βάσει της οποίας μια ομάδα οργανισμών λέγεται ότι έχει κοινή καταγωγή εάν έχει κοινό πρόγονο. Απέφυγε να χρησιμοποιήσει τον αντιφατικό όρο «εξέλιξη». Το 1871 ο Δαρβίνος δημοσίευσε την «Καταγωγή του Ανθρώπου» παρουσιάζοντας μαρτυρίες από πάμπολλες πηγές ότι ο άνθρωπος ξεκίνησε από ζώο. Η ιδέα αυτή είχε προταθεί από τον Thomas Huxley, ο οποίος είχε δείξει ότι ανατομικά οι άνθρωποι ήταν πίθηκοι. Δημοσίευσε, επίσης, ανώνυμα και το βιβλίο με τίτλο «Ίχνη της Φυσικής Ιστορίας της Δημιουργίας», το οποίο επιχειρηματολογούσε υπέρ της εξελικτικής διαδικασίας. Έγραφε σχετικά τα εξής: «Ο άνθρωπος με όλες τις ανώτερες ιδιότητες του ... με το θεϊκό του πνεύμα ... φέρει ακόμα στη σωματική του δομή την ανεξίτηλη στάμπα της χαμηλής του προέλευσης».
Ο Δαρβίνος δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει την πηγή των κληρονομικών διαφοροποιήσεων, οι οποίες μπορούν να επιδράσουν μέσω της φυσικής επιλογής ή το πώς τα γνωρίσματα περνούν από γενεά σε γενεά. Το 1865 ο Gregor Mendel ανακάλυψε ότι τα γνωρίσματα κληρονομούνται κατά ένα προβλέψιμο τρόπο κι έτσι γεννήθηκε η επιστήμη της γενετικής. Οι πρώτοι γενετιστές, όπως ο Hugo de Vries, επέκριναν την εξελικτική θεωρία του Δαρβίνου, αλλά εξελικτικοί βιολόγοι, όπως οι J. Haldane, Sewall Wright και Ronald Fisher έθεσαν κατά τις δεκαετίες του 1920 και 1930 τα θεμέλια για την ίδρυση της πληθυσμιακής γενετικής. Η σύγχρονη εξελικτική σύνθεση αποτελεί έναν συνδυασμό της εξέλιξης μέσω της φυσικής επιλογής με την κληρονομικότητα του Mendel. Η ανακάλυψη του DNA από τον Oswald Avery και η δημοσίευση της δομής του το 1953 από τους James Watson και Francis Crick απέδειξαν τη φυσική βάση της κληρονομικότητας.
Τα αξιώματα της σύγχρονης εξελικτικής σύνθεσης είναι τα εξής: Όλα τα εξελικτικά φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν κατά ένα συνεχή τρόπο με γνωστούς γενετικούς μηχανισμούς και τις παρατηρητικές μαρτυρίες των φυσιογνωστών.
Η εξέλιξη είναι βαθμιαία. Η ασυνέχεια ανάμεσα στα είδη εξηγείται ως προερχόμενη σταδιακά μέσω του γεωγραφικού διαχωρισμού και της εξαφάνισης. Η επιλογή αποτελεί πρωτίστως τον κυριότερο μηχανισμό της διαφοροποίησης. Το αντικείμενο της επιλογής είναι το φαινότυπο στο περιβάλλον που το περιβάλλει. Ο ρόλος της γενετικής εξέλιξης είναι διφορούμενος. Η γενετική ποικιλία που μεταφέρθηκε στους φυσικούς πληθυσμούς αποτελεί παράγοντα-κλειδί για την εξέλιξη. Η δύναμη της φυσικής επιλογής στην άγρια φύση ήταν μεγαλύτερη από την αναμενόμενη. Η επίδραση του οικολογικού παράγοντα είναι σημαντική. Στην παλαιοντολογία, προτείνεται η εξήγηση ιστορικών παρατηρήσεων μέσω της επέκτασης από την μικρο-εξέλιξη στη μακρό-εξέλιξη.
