Fill d’un metge benestant i net d’Erasmus Darwin; a 16 anys, amb el seu germà, anà a Edimburg per estudiar-hi medicina, com era la voluntat del seu pare, però ho deixà de seguida i inicià estudis de teologia amb la idea de prendre ordes sagrats. Un cosí seu l’afeccionà a col·leccionar plantes, insectes i exemplars geològics; fou membre del cercle d’afeccionats a les ciències naturals de Cambridge i es relacionà amb científics importants, com Henslow i Dedgwick.
El 1831 fou recomanat per Henslow per a ocupar la plaça de naturalista al viatge cartogràfic que el vaixell “H.M.S. Beagle” havia de fer a l’Amèrica del Sud i a les Índies Orientals. La volta al món del Beagle durà cinc anys i canvià profundament el pensament de Darwin, que tornà a Anglaterra a l’edat de 27 anys decidit a dedicar la seva vida a la ciència.
Durant els anys següents visqué a Londres, ordenant les seves col·leccions, assistint a reunions científiques i preparant l’admirable i popular Journal of Researches during H.M.S. Beagle's Voyage round the World, que publicà l’any 1839. Es casà amb la seva cosina Emma Wedgwood, i, havent estat repetidament malalt dels nervis, amb una important herència rebuda del seu pare comprà una casa de camp a Downe (Kent), on es retirà a viure des del 1842 fins a la mort, dedicat per complet a la tasca científica.
Els primers resultats de les seves observacions foren geològics. És notable el llibre sobre la teoria de la formació d’esculls coral·lins, però la gran aportació fou en el camp de la biologia. Les observacions sobre la distribució geogràfica dels fòssils de l’est de l’Amèrica del Sud i la fauna de les illes Galápagos, principalment, el convenceren que els éssers de la natura no podien ésser explicats per creació separada, sinó que llur origen demanava una teoria evolucionista. Darwin no es limità a exposar la teoria de l'evolució, sinó que al mateix temps acumulà una monumental evidència per a sostenir-la. El 1837 inicià el primer llibre de notes sobre l’origen de les espècies. Modestament, compilà tots els fets que es relacionaven d’alguna manera amb la variabilitat de les plantes i els animals, amb la qual cosa esperava de “fer alguna llum sobre la totalitat de la qüestió”. El 1842 redactà un breu resum de la seva teoria, que mostrà als amics més íntims, com sir Joseph Dalton Hooker i sir Charles Lyell; no s’atrevia a publicar-ho perquè estava convençut que li mancava preparació. Escriví els resultats geològics del viatge amb el “Beagle”, publicats en tres volums (1840-43), i els zoològics, en cinc volums (1842-46), i començà una monumental monografia sobre els cirrípedes, que l’ocupà durant vuit anys i que publicà finalment en quatre volums (1851-54). Aquest estudi li fou d’un gran servei, ja que l’examen de milers d’exemplars li donà idea de les dificultats de la classificació i li mostrà com eren d’arbitràries, a la pràctica, les distincions entre les espècies.
Feia més de vint anys que treballava en el projecte de l’origen de les espècies quan, el 1858, Alfred Russel Wallace, naturalista que treballava a Malàsia, li envià el seu assaig On the Tendency of Varieties to Depart Indefinitely from the Original Tipe, que contenia les mateixes conclusions que la seva teoria. Decidiren, aconsellats per Lyell i Hooker, de fer una presentació conjunta, que tingué lloc a la Linnean Society l’1 de juliol de 1858. Darwin començà immediatament a preparar un resum de les seves teories, per publicar-lo en una revista científica i, davant la impossibilitat de condensar-les, en sortí un volum de 596 pàgines, On the Origin of Species by Means of Natural Selection or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life, un dels llibres de més gran repercussió que hom ha escrit, del qual s’exhauriren els 1.200 exemplars de la primera edició quasi instantàniament. L’impacte de l'Origin fou immediat i sensacional: la gent ja estava introduïda a la noció d’evolució, però el fet que un científic respectat aportés tal quantitat d’evidència per provar aquesta idea revolucionària convencé un gran nombre de científics importants, de tal manera que, bé que hi havia forts oponents, l’opinió general li era favorable.
L’any 1868, Darwin continuà la seva tasca investigadora i publicà The Variation of Animals and Plants under Domestication (1868), The Descent of Man and Selection in Relation to Sex (1871), Expression of the Emotions in Man and Animals (1872), The Effect of Cross Fertilization in the Vegetable Kingdom (1876), The Different Forms of Flowers and Plants of the Same Species (1877) i, juntament amb el seu fill Francis, The Power of Movement on Plants (1880) i el curiós treball sobre The Formation of Vegetable Mould Through the Action of Worms (1881). Live and Letters, publicat pel seu fill sir Francis l’any 1887, conté una versió reduïda de l’autobiografia escrita per Darwin per als seus fills. Després d’un atac de cor a la fi del 1881, morí el 19 d’abril de 1882 i fou enterrat a l’abadia de Westminster enmig de les tombes de grans homes de ciència, primers ministres i reis.