1834年6月，“贝格尔”号抵达南美洲西海岸，在这里呆了一年多的时间。由于邮递到的赖尔《地质学原理》第二卷的影响，这段航程达尔文的主要兴趣集中在地质学。达尔文手握地质锤，研究安第斯山脉的岩层结构。安第斯山脉是地球上最年轻最险峻的山脉之一，海拔12000英尺处的化石森林和大量的贝类化石令人叹为观止。达尔文还目睹了几次火山爆发并在一次地震中幸免遇难。这些突发事件给达尔文留下了深刻的印象，证明地表总是处于不断地变化和移动之中。达尔文由此得出结论，生命所处的地理环境是流动的、不断变化的。达尔文的地质观测，与他对已经发现化石物种（虽不同于存活的生命，但仍有相似之处）的思考一起，帮助他洞见到，生命为了适应周围环境的变化，本身也是流动的、不断变化的。

南美洲沿岸考察是“贝格尔”号的首要使命。此任务结束后，“贝格尔”号用一个月的时间访问加拉帕戈斯群岛，然后在1835年10月开始漫长的返航。在回乡的途中，军舰还在塔希提岛、新西兰、澳大利亚以及其他一些小岛屿抛锚小驻。与在南美洲的尽情考察相比，这些停驻都十分短暂，不足以给予达尔文充足的时间、空间进行全面的考察。尽管如此，他还是尽己所能充分利用时间在太平洋和印度洋考察礁湖和珊瑚礁；在澳大利亚的河流中观察一对嬉戏的鸭嘴兽；在大西洋阿森松岛观测火山斜面零碎的样本；甚至在孤寂的圣赫勒拿岛悠闲地环绕拿破仑的墓地散步。

1835年地震后处于一片废墟中的智利康塞普西翁。几天后，达尔文参观了这片废墟，称之为“我所见到的最恐怖、最有趣的景象”。

到此为止，环球航行已大大超出所有人心目中的预定时间，达尔文和同船水手都渴望快快回家。然而菲茨罗伊宣布，为了完成一系列的环球天文测量，在返回英国之前，“贝格尔”号将穿越大西洋在巴西做最后一次停留。这个决定使全船人处于一片阴郁之中，达尔文万分恼火，在给姐姐苏珊的信中写道：“我讨厌大海！我痛恨在它上面航行的所有船只！”幸好军舰重返英国前，在巴西只停留了短短几天。最终，像达尔文写的那样：“十月二号，我们终于抵达英国海岸。在法尔第斯，我离开贝格尔号，结束了在那个小小船舱内将近五年的海上生活！”

在达尔文逝世一年前摄制的照片上，他看起来像一位劳顿不堪、饱经风霜的智者。他说：“当迫不得已，不得不放弃观察和实验时，我宁愿死去。”