他們待在維德角後越過了赤道，達爾文受了刮臉禮——臉用油漆、柏油擦過後刮乾淨，再按在注滿海水的帆中，這是新船員必須接受的儀式。/>
一陣信風將小獵犬號送至巴西，停泊在巴伊亞，達爾文在薩爾瓦多登陸。他漫步於森林之間，為這裡的美景所陶醉，印證了洪堡的描寫。
他在日記寫道︰沒有人能夠想得出像巴伊亞古鎮那樣美麗的景色，它完全被一片美麗樹木所構成的茂密森林擁抱著，它位在懸崖海岸上，俯瞰著寬闊的眾聖灣中的靜靜的海水它是巴西最美麗的風景之一。
但是，除了經歷過的人以外，別人不能領會在這樣的花和這樣的樹間散步時所感到的那種極度歡欣。
回到城裡時狂歡節正在舉行。所有苦工都是黑人完成，托利黨人菲茨羅伊認為這很合理，他說曾問過一個奴隸主，此人問他的奴隸們是否不滿於現狀，是否要求自由，結果奴隸們回答不。
傾向輝格黨的達爾文卻看不慣，認為應該解放奴隸，那些奴隸們當著奴隸主所說的話毫無意義，船長被激怒了，拂袖而去。
後菲茨羅伊向達爾文道了歉，二人和解。達爾文與菲茨羅伊在艦長室吃了飯，得到了旅伴們的尊重，年輕人們開始稱其為先生，軍官們稱他為親愛的老哲學家、我們的捕蠅人。
小獵犬號再次起航，沿岸南下，在阿布羅柳斯群島附近測量後，抵達里約熱內盧。家人給他來信，他得知姐姐夏洛特嫁給了一位教區牧師，從前的女友範妮也於3月嫁給了一個有錢人。
達爾文為範妮而感慨哀傷。投入了內陸之旅。其中一位旅伴是奴隸主，雖然他對達爾文很友好，但準備拆散30個奴隸家庭，將他們拍賣，這種行為讓達爾文又一次義憤填膺。
他來到博它福古，上岸時發現由於海浪，自己的書籍、儀器和槍械全被泡在水裡，只好花了一天時間來處理。
小獵犬號去巴伊亞核查經度去了，幾個星期沒有音信。達爾文滯留當地忙於捕捉獵物、製作標本，晚上則給亨斯洛、福克斯等人寫信。
當小獵犬號再次歸航，船上裝起了新大炮，包括馬斯特斯在內的三名船員染病死去，麥考密克也辭職歸國。參加了惡戰號軍艦上的禮拜。
小獵犬號離開熱帶地區繼續向南。駛進拉普拉塔海灣，次日達爾文在蒙得維的亞登陸。他將在遠郊搜集的一些甲蟲製成標本，一些寄回家中，最重要的一些寄給了亨斯洛。
小獵犬號駛離拉普拉塔，以觀測海岸，結果遇到了風暴天氣，錨也曾兩次折斷。他們的船最後駛進了布蘭卡港。菲茨羅伊在那兒結識了不海報的帆船船主哈里森，後者將小獵犬號引到一個安全的停泊處。
達爾文逆流而上，第一次遇見了加烏喬人。在打獵中渡過的，他嘗到了美洲鴕、犰狳、刺豚鼠等新奇美味。
在阿爾塔高原的搜索中。他找到了一些龐大的已滅絕哺乳動物的化石。又帶回一塊下顎骨，他認為這屬於前洪積世的地獺。
小獵犬號再次回到蒙得維的亞，菲茨羅伊準備派3個火地島人和1個英國人上火地島傳教。
海軍勘探船小獵犬號（beagle，又譯為貝格爾號）進行了為期五年（1831－1836）的勘探活動。這期間達爾文將三分之二的時間花在了陸地上。
他仔細地記錄了大量地理現象、化石、和生物體，並且系統地收集了許多標本。它們中的許多是科學上的新物種。
每隔一段時間，他將這些航行中收集的標本與記錄這些發現的信件寄予劍橋大學，很快他就成為了一個富有盛譽博物學家。達爾文的這些詳盡的勘探記錄顯現了一個理論開創者的驚人天賦，並成為了他後期作品的理論基礎。
他最初為家庭所寫的游記，後以《小獵犬號之旅》一書出版，詳盡地從社會學、政治學、和人類學的視角描述與總結了航行所及的土著與殖民地的風土人情。
航行旅途之中，達爾文飽受疾病痛苦困擾。在阿根廷患上重燒。從安第斯山脈返回瓦爾帕萊索的途中，他再次倒下，並在病榻上度過一個月。
在他們出發之前，羅伯特菲茨羅伊送給了達爾文一卷查爾斯賴爾所著《地質學原理》（在南美他得到第二卷）。該書將地形地貌解釋為漫長歷史時間漸進演變的的結果。
當他旅程的第一站抵達聖地亞哥維德角的時候，達爾文注意到該地火山岩峭壁的高處有一條白色的沉積層內有許多的珊瑚與貝殼碎片。
這很好地解釋了賴爾的理論，並給予了達爾文思考島嶼地質史全新的視角，使他決定寫一本關於地質學的書。
達爾文在接下來的旅程中有著更多的發現，它們中的許多是戲劇性的。在巴塔哥尼亞，他看見次級而上的分布著圓石與海貝平原，它們其實是被抬高的海灘。
在經歷了智利的地震後，他發現貽貝的床基高高地擱淺在潮汐之上，這顯示陸地已經被抬高了。
在安第斯山脈的高處，他發現化石樹矗立在一片沙灘上，周圍分布著海貝片。在小獵犬號勘探了科科斯（基林）群島後，他推論這些珊瑚環島，是形成在下沉的火山之上的。
在南美，達爾文發現並挖掘了一些已滅絕的巨型哺乳動物化石，其中相當一部分並不處於有劇烈天氣變化與災難發生跡象的地質層里。
而一個動物的頭蓋骨在他看上去竟似乎是非洲犀牛的。此外，他判斷一些動物甲片來自於該地區一種常見犰狳體積兩至三倍大小的史前巨型犰狳身上，但受誤導，轉而相信是周圍發現的大地懶屬的遺骸的一部分。
在賴爾的第二卷書中，萬物的創生被歸結為，而此時思想已經走在時代前方的達爾文對此困惑不解。
上一次小獵犬號來火地群島的時候帶上的三個印第安人（美洲土著人）被送回到了故鄉，然後當上了傳教士。
他們在英國的兩年里，受到了英國傳統教育從而進入了使人所熟悉的文明社會，然而他們的親戚對達爾文來說是沒有希望，且對人類是種侮辱的人渣。
一年以後，傳教的任務被他們所遺忘，只有杰米巴頓對他們說他寧願過以前困難的生活也不願意重返英國。
因為這件事，達爾文重新地考慮了人類，他得出的結論是雖然人類是高等動物，但動物的本性始終沒有像他的朋友所說的那樣喪失，而且明白了每個文明的演化都是不一樣的，而不是因種族所定。
當他看到歐洲定居者在南美洲，紐西蘭和澳大利亞對土著人的暴行後，他便強烈反對奴隸制，也對這些野蠻行為感到悲哀。
菲茨羅伊船長一直都在寫小獵犬號行程的官方日誌，在旅行的盡頭，他讀了達爾文的日記，然後讓他重新修改一遍以便在《自然史上》充當第三卷。
達爾文的家族比較傾向不遵從當時英國國教會，他的祖父、父親及兄弟均為自由思想家。在此背景下，小時候的達爾文依然信奉聖經，甚至之後在劍橋大學修讀神學成為牧師。
此時他相信一套以自然界構成的奧妙而論證神必定存在的《目的論的證明》。後來，達爾文在貝格爾號之旅中認識到世界很多不同物種，這些物種的特徵與習性，是聖經無法解釋的。
例如有一種胡蜂麻痺毛蟲並在其體內產卵，卵變成寄生蟲並殺死宿主的行為，認為這抵觸了《目的論的證明》中自然界是神善意的彰顯的教義。
雖然如此，達爾文仍然會引述聖經作為道德權威，卻批判一些舊約中的歷史陳述。
在達爾文研究物種演化時，物種行為的無情性引伸出的社會意義，經常被非國教論者及無神論者視作攻擊英國國教會的理論的手段。
達爾文更認為宗教信仰其實是生物族群的生存策略，雖然此時他仍然相信神是最終的自然法則制定者。
1851年，他的女兒安尼逝世後，達爾文的信仰漸減，並傾向懷疑主義。這時雖然他仍繼續協助進行一些教會事務，但已經不會在星期日上教會。
他傾向相信痛苦是自然法則，多於神的試練。當他被問及他的宗教取向時，他指出他從來不是無神論，但不可知論是對他的心思更準確的描述。
達爾文在自傳裡亦曾表示，福音書的真確性存疑，他也沒有充足證據相信基督教是神的教義。