A 27 de Dezembro 1831 (com 22 anos), sua amizade com cientistas o leva a participar, como naturalista, de uma expedição no navio HMS Beagle, promovida pela Marinha Inglesa para completar dados cartográficos da América do Sul. Durante cerca de cinco anos de viagem, obteve conhecimento da fauna e flora e geologia de vários lugares.
Fazendo sua primeira parada nas Ilhas Cabo Verde(16/01/1832), depois em Fernando de Noronha(20/02/1832), Brasil (chegou em Salvador no dia 29/02/1832), Argentina (Buenos Aires, Tierra del Fuego), Uruguai (Montevidéo), Chile (ancorou em Valparaiso, 23/07/1835, onde fez uma expedição aos Andes e encontrou fósseis de conchas a mais de 1.000 metros de altitude), Peru, Ilhas Galápagos (chegou em 09/1835), Tahiti, Nova Zelândia, Austrália, Tasmânia, Ilhas Cocos (onde começou sua famosa teoria dos recifes de corais), Ilhas Maurício, Cidade do Cabo, Santa Helena e Açores, (deixando a ilha Terceira a 24 de Setembro de 1836 em direcção a São Miguel).
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