Fou periodista a 16 anys; més tard s’interessà en les ciències naturals i guanyà per oposició una plaça al museu d’història natural de Londres el 1911. El 1919 publicà The Journal of a Disappointed Man (‘Diari d’un home desil·lusionat’), inspirat en el seu mateix diari, on fa una autoanàlisi lúcida i profunda.
Corresponsal de Francesc Micó, en la seva Historia generalis plantarum (1586-87) recull un bon nombre de descripcions de plantes catalanes que Micó li havia tramès.
Professor a Yale i editor de l’American Journal of Science and Arts. Un dels principals elaboradors de la teoria del geosinclinal, és autor de Geology of the Pacific Area (1849) i de Manual of Geology (1862).
És un dels fundadors de la moderna geografia espanyola, preocupat per la definició i localització de les grans regions naturals de la península Ibèrica. Entre les seves obres es destaquen Resumen Fisiográfico de la Península Ibérica (1922), Ensayo acerca de las regiones naturales de la Península Ibérica (1922) i Regiones naturales de España (1943), ampliació de l’obra anterior.
Ha fet nombroses investigacions sobre citologia, genètica i evolució. Entre altres obres, ha publicat Evolution on Genetic Systems (1958), Genetics and Man (1964), Cytology (1965) i The Little Universe of Man (1978).
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.
En el llibre Zoonomia (1794-96) s’anticipà, en les teories sobre l’origen dels éssers vius, a Lamarck i Charles Darwin, i a Pavlov en les relatives a la intel·ligència i a l’emoció. Era avi de Charles Darwin i de Francis Galton.