从19世纪40年代到50年代，达尔文的家庭不断壮大。他的父亲在1848年去世，留给他一笔相当可观的遗产，几十年前当他还在学习医学时就曾猜测过这笔钱的数量——它有5万英镑，相当于今天的上百万美元。他用这笔钱做了明智的投资，变得非常富裕，可以轻松地照料他的大家庭。但他的胃病一直折磨着他，他变得更加离群索居，由于他的疾病他甚至错过了他父亲的葬礼。
与此同时，达尔文继续发展他的观点。他对动物进行研究和实验，比如他同事建议他描写的鸽子，当然，还有那些藤壶。他也拿植物做实验。在一项系列研究中，他对活性种子不可能抵达遥远海岛这种普遍观念进行验证。他从各个角度来研究这个问题：他对已经在盐水中（模仿海水）浸泡过几周的花园种子进行测试；他寻找附着在鸟类腿上以及它们粪便中的种子；他用肚子里塞满种子的麻雀来喂养伦敦动物园里的猫头鹰和鹰，然后检查它们的粪便。他所有的研究全部指向了一个相同的结论：达尔文发现种子比人们想象的还要坚硬和具有移动性。
另一个让达尔文花费相当长的时间来思考的问题是生物的多样性：为什么自然选择会在物种之间产生这么大的差异？在这个问题上，他受到了他那个时代的经济学家的启示，他们经常会提到一种“劳动分工”的概念。亚当·斯密已经证明，如果人们专门从事某一部分的生产，而不是每个人都试着制作一件完整的物品，生产效率会更高。这种概念引发达尔文得出这样一个结论：在一片给定土地上，如果每一个居民都高度擅长开发不同的自然资源，这片土地就可以供养更多的生命。
达尔文预计，如果他的理论是正确的，他就会在那些资源有限但竞争激烈的地方发现更多样化的生命形式，他开始寻找支持或者反驳这种观点的证据。这种思路是达尔文探索进化新方法的典型：当其他博物学家在连接化石和生命形式的系谱图的发展中找寻进化的证据时，达尔文从生活在他这个时代的物种的分布和相互关系中寻找答案。
为了验证这个理论，达尔文不得不向其他人求助。因此，尽管在身体上处于隔绝状态，他还是从很多人那里获得了信息，并且，和牛顿一样，也是依靠邮政服务——特别是一种新的、价格低廉的“便士邮局”计划，这让他可以建立起一个由博物学家、饲养员和其他能够为他提供关于突变和遗传信息的通信者构成的空前庞大的网络。通过这种方式，达尔文既可以利用他们的实际经验来验证自己的观点，又不会因为暴露自己的根本目的而给自己招来嘲讽。这也同样让他逐渐从他的同事中挑选出谁或许会赞成他的观点，并最终与一个精心挑选的小团体分享他非正统的观点。
到1856年，达尔文已经把他理论的详情透露给了少数几个亲密朋友。这些人包括当时最重要的地质学家查尔斯·赖尔，以及生物学家T. H.赫胥黎，他同时还是世界上最顶尖的比较解剖学家。他的至交们，尤其是赖尔，鼓励他发表他的观点，以免别人捷足先登。此时的达尔文47岁，已经为他的理论工作了18年。
1856年5月，达尔文开始着手处理一篇他原本打算让他的同伴看的技术论文。他决定把它称为《自然选择》。到1858年3月，这本书已经完成了2/3的内容，有25万字。接着在6月，达尔文通过邮件收到了正在远东地区工作的熟人阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士寄来的一份手稿和一封意气相投的附函。
华莱士知道达尔文正在研究一种进化理论，他希望达尔文能够帮他把这份手稿转交给赖尔——一份概述华莱士独立构想出的自然选择理论的论文。和达尔文一样，他的理论也受到了马尔萨斯关于人口的观点的启发。
达尔文惊慌失措。他朋友曾经警告过他的最坏的事情似乎变成了现实：另一位博物学家复制了他著作中最重要的部分。
当牛顿听说类似著作的所有权时会翻脸，但达尔文是一个完全不同的人。他对当前的处境感到十分痛苦，但也没有什么更好的选择。他可以把这篇论文藏起来，或者抢先发表自己的，但那些选择是不道德的；或者他可以帮助华莱士将它发表，放弃自己一生工作的功劳。 达尔文在1858年6月18日将这份手稿寄给了赖尔，并附带了一封信： （华莱士）今天寄给我这封密函，要我把它转交给你。在我看来它很值得一读。你的话出乎意料地变成了现实——我应该抢先发表……我从来没有见过这么惊人的巧合；即使华莱士有我在1842年写出的手稿草稿，他也写不出比这更好的摘要！甚至连他的术语都是我章节的标题。请把这个（手稿）归还给我，他并没有说过希望我将其发表的话，但我当然应该马上写信并把它寄给某家期刊。因此我所有的原创，不管它们有多少，将会被粉碎，尽管我的书——如果它还有任何价值的话——将不会被低估，因为我所有的劳动成果都存在于这个理论的应用中。我希望你会认可华莱士的草稿，我会把你的话转告给他。
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事实证明，这个理论究竟归功于谁的关键在于达尔文的评论，也就是他的书的价值体现在他详细论述的应用性上。华莱士不仅没有为他的自然选择理论做像达尔文那样详尽的证据研究工作，也没有像达尔文那样仔细分析变化的程度何以会如此巨大以至于产生出新物种，而不只是新的“品种”，即我们今天所说的亚种。
赖尔提出了一个折中的方法：他和达尔文的另一个亲密朋友，植物学家约瑟夫·道尔顿·胡克将会向久负盛名的伦敦林奈学会同时宣读华莱士的论文和一篇达尔文观点的摘要，之后这两份论文将会同时发表在学会的《汇刊》上。当达尔文为这个计划焦虑不安时，时机不可能更糟糕了。不仅因为达尔文的老毛病又发作了，还因为他的老朋友生物学家罗伯特·布朗最近刚刚过世，就连他第10个，也是最小的孩子，只有18个月大的查尔斯·沃宁·达尔文也因为得了猩红热而病得很严重。
达尔文把这件事情交由赖尔和胡克处理，因为他们认为这么做很适合，于是在1858年7月1日，林奈学会的秘书向在场的30多名会员宣读了达尔文和华莱士的论文。他的宣讲既没有招来斥责也没有获得掌声，只有死一般的寂静。接下来又宣读了另外6篇学术论文，为避免有人在读完前5篇之后醒过神来，最后一篇描述安哥拉植物的长篇大作就没有再继续宣读。
华莱士和达尔文都没有出席。华莱士依然还在远东地区，对于伦敦发生的事情毫不知情。当他后来得知此事后，他大度地承认这件事情处理得很公平，他后来对达尔文一直怀有敬意甚至是感激。那个时候达尔文依然还在病中，因此在任何情况下他都很有可能不会去参加这次会议，正如事后证明的那样，在会议进行的时候，他和他的妻子埃玛正把他们第二个夭折的孩子查尔斯·沃宁埋葬进教区的墓地里。
在经过20年发展和支持他理论的辛勤工作之后，林奈学会上的陈述最终使达尔文向公众披露了他的观点。但最直接的反应却至少可以说是虎头蛇尾。在场的所有人都没能理解他们听到的内容的重要意义，林奈学会主席托马斯·贝尔的评论或许最能反映出这种情况，他后来说，他在退场的时候抱怨这一年并没有发生“任何引人注目的，可以立即使，比如，（我们的）科学部发生革命性变化的发现”。 在林奈学会上陈述之后，达尔文很快就搬家了。在不到一年的时间里，他把《自然选择》变成他的杰作《物种起源》。这本书更简洁，目标是大众读者。他在1859年4月完成了手稿。此时他已经非常疲惫，用他自己的话说，“虚弱得像个孩子”。 达尔文一直清楚他需要培养一种对他有利的共识，他安排他的发行人穆雷大量赠送这本书，他也亲自给许多收到书的人写言辞谦卑的信。
但在写书的时候，达尔文实际上非常谨慎地把有可能出现的神学反对降到最低。他辩解说自然法则统治的世界比一个由随意的奇迹统治的世界更优越，但他依然相信一个遥远的神，在《物种起源》中他尽自己最大的努力避免给公众留下他的理论朝着无神论方向发展的印象。相反，他希望展示的是，自然致力于为生物提供长远福利，按照仁慈的造物主的构想指引物种朝着精神和肉体的“完美”方向发展。
“在这种生命观中存在着一种庄严……”他写道，“当这个星球根据固定的重力定律旋转时……诞生了最初的少数几种或一种生命形式，从如此简单的一个起点发展出了曾经出现过的、现存的，以及不断进化着的无尽无穷的最美丽和最神奇的生命形式。”
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公众对于《物种起源》的反应并不温和。比如，他在剑桥大学的导师塞奇威克教授写道：“你的这本书带给我的痛苦多过乐趣……有的部分我是带着极度的悲伤读完的，因为我认为它们完全是错误的，是极其恶毒的。” 尽管如此，凭借着更优越的理论、更有力的证据支持，以及一个相对更成熟的时机，《物种起源》并没有像《痕迹》那样激起极大的愤恨。在10年内，科学家之间的纷争在很大程度上已经平息，到达尔文去世时，也就是他发表作品10年之后，进化论已经成为一种几乎被普遍接受的观点，它也是维多利亚时代最具统治力的思想主题。
达尔文已经是一个备受尊重的科学家了，但随着他作品的出版，他变成了一个公众人物，就像发表了《数学原理》之后的牛顿。达尔文获得了国际范围内的认可和荣誉。皇家学会授予了他享有盛誉的科普利奖章；他被牛津大学和剑桥大学授予荣誉博士的称号；普鲁士国王给他颁发了功绩勋章；他同时还被圣彼得堡的帝国科学院和法国科学院选举为通信院士；他被莫斯科的帝国博物学者学会授予荣誉会员身份，英国教会授予他南美传教士学会会员身份。
19世纪30、50和70年代的达尔文和牛顿一样，达尔文的影响力远远超出了他的科学理论，它包含了对于和生命完全无关部分的新思维方式。正如一群历史学家写的那样，“不管在哪里，达尔文学说已经变成了自然主义、唯物主义，或者进化哲学的代名词。它代表着竞争与合作，解放与附属，进步与悲观，战争与和平。它的政治观点可以是自由主义者的、社会主义者的，或者保守主义者的，它的宗教信仰可以是无神论的或者正统信仰的”。 然而，从科学角度出发，达尔文的工作和牛顿的一样，仅仅是一个开始。他的理论提出了一种基本原理，这种原理决定了物种在面对环境压力时它们的特征随着时间发生改变的方式，但那个时候的科学家对于遗传背后的作用机制依然一无所知。
有趣的是，正当达尔文的作品在林奈学会展示时，一位生活在布尔诺（如今捷克共和国的一部分），名叫格里哥·孟德尔（1822—1884）的科学家和修道士正在进行一项为期长达8年的实验计划，这项实验将至少在抽象意义上表明遗传背后的机制。他指出，简单的特征由两种基因决定，父母各贡献其中一个。但孟德尔的工作要很久后才会普及，达尔文从来没有听说过关于它的消息。
在任何一种情况下，对孟德尔机制的物质实现方法的理解都将需要20世纪物理学的进步——特别是量子理论和它的产品，例如X射线衍射技术、电子显微镜，以及晶体管的发明使数字计算机成为可能。这些技术将揭示DNA分子和染色体的结构细节，使人们可以在分子层面上对遗传学进行研究，最终使科学家开始理解遗传和进化发生的基本要素。
然而，即使如此，这也仅仅是一个开端。生物学试图从各个层面来理解生命，直至细胞内的结构和生化反应——细胞是生命的标志，是我们携带的遗传信息最直接的结果。这个目标和生命逆向工程同样宏大，毫无疑问——就像物理学家的大一统理论一样——还在遥远的未来。但无论我们对于生命机制的理解有多深刻，生物学的核心组织原理将很有可能一直停留在19世纪这个顿悟上，即进化的理论。
达尔文自己并不是适者生存的样本，但他活了很久。晚年，他的慢性健康问题得到了改善，虽然他开始感到持续性的疲惫。即使如此，他依然工作到了生命的终点，在1881年他发表了最后一篇论文《腐殖土的产生与蚯蚓的作用》。那年晚些时候，他在锻炼时开始感到胸痛，在圣诞节期间他心脏病突然发作。接下来的那年春天，他的心脏病在4月18日又发作了一次，他很难再恢复意识。他喃喃自语说他并不害怕死亡，几个小时之后，大约在第二天凌晨4点，他死了。他去世时73岁。在他所写的最后的信件中，有一封是写给华莱士的，他在信里说：“我拥有的一切都让我感到幸福和满足，但生命已经变得非常让人厌倦。” 一位来自爱丁堡，名叫罗伯特·钱伯斯的流行期刊发行人在1884年被正式指认为这本 的作者，此时他已经去世13年了，但达尔文曾经猜测钱伯斯是在1847年同他会面之后写出的这本书。
