“小鹰号”于1831年12月27日扬帆离开了英格兰的普利茅斯。达尔文经受了严重的晕船考验，最初的几个星期都是在狭小船舱的吊床上度过的。为了消磨在船上的寂寞时光，达尔文读了一本新近出版的教科书，是由查尔斯·莱尔（1797-1875）写的《地质学原理》（The Principles of Geology）。莱尔反对当时对地球历史的流行看法。大多数科学人信仰由《圣经》所阐述的生命起源与创造世界的说明：上帝在大约6000年前创造了世界，创造了所有生物的模样，至今没有变化。化石则告诉了我们一个不同的故事，包括某种以前存在，但现在已不再出现的生命形式。灾变说者认为，正如在《创世记》中描述的那样，是大地震和洪水使一些物种灭绝。莱尔不接受这种观点。他争辩说，地球目前的物理形状是诸如侵蚀和火山喷发活动等缓慢的作用力数百万年间作用的结果。达尔文同意莱尔的观点。当他向菲茨罗伊吐露自己的看法时，菲茨罗伊觉得受到了侮辱，因为他的信仰受到了亵渎。
1832年1月16日，“小鹰号”停在了非洲西北海岸的佛得角岛屿。达尔文跳下了甲板，忠诚地执行着他随船而来的使命：他抓紧一切时间收集标本，把自己的观察进行详细记录。菲茨罗伊对此留下了深刻的印象。达尔文也在地层中观察到了支持莱尔关于地球变化的缓慢自然力观点的证据。
在卡那里岛的坦纳利佛停留后，“小鹰号”于1832年2月28日抵达巴西。达尔文被热带雨林中丰富的生命和各种不同的生命形式所吸引。4月，船员们来到了里约热内卢，达尔文注意到一个现象：为了适应城市增长的人口，附近的雨林已经被破坏了。同时，这里对待奴隶的方式也使他感到惊骇。达尔文对菲茨罗伊提到了这些感受，但遭到菲茨罗伊的激烈反对，最后导致了两个男人之间的激烈冲突。尽管后来菲茨罗伊道了歉，但很明显他们之间已经有了分歧。
船沿着南美东海岸向南旅行时，达尔文花了一些时间探索蓬塔阿尔塔海滩。1832年9月23日，他发现了一种大型动物的头，花了3个小时把它从岩石上移出来。这些残骸看来是来自一种灭绝了的剑齿兽，一种大象那么大小的啮齿类动物，与今天大约身长2英尺（61厘米）的水豚很相似。几天之后，他找到了一些20英尺（6米）高的地懒的骨骼。达尔文对上帝如此麻烦地造出这样相近的动物感到惊奇。为什么上帝毁灭了那些大一点的动物，又让稍小的动物取而代之呢？
达尔文同样还注意到了此地的响尾蛇尾巴发出的声音没有北美响尾蛇尾巴发出的声音响。在巴塔哥尼亚，他观察到了两种不寻常的鸵鸟。他还对山、谷以及这个区域的其他地质特征作了记录。1835年2月在智利时，达尔文经历了一次摧毁了村庄的地震。地震显然抬升了地平面，而且改变了其他地质构成。达尔文在第一时间里目击了自然灾害是如何影响地球表面以及那些生物的。
1835年9月15日，“小鹰号”在加拉帕哥斯群岛登陆。在离厄瓜多尔西海岸500英里（800公里）的地方，这条被分离的赤道群岛链将10多个火山岛连在了一起。这些岛屿是大量从未在南美洲、欧洲发现的奇特动物的家园。居住在加拉帕哥斯群岛上的最传奇的动物之一就是巨型龟。这种巨型龟重达500磅（227千克），有一个周长大约8英尺（2.4米）的外壳。达尔文和他的同伴们很容易就骑在了龟背上。在他们看来，这些龟很具有史前的味道。
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