达尔文怀疑《圣经》能否做为地球地质史的真实指南。例如达尔文曾经读了苏格兰地质学家查尔斯?莱尔（CharlesLyell）的两部地质学文本。
作者莱尔已追随赫顿的脚步，并采纳赫顿的构想：在过去起作用的力量，至今仍在起作用，即俗称“均变论”（uniformitarianism）的概念。早期地质学家认为，借由一些在大洪水期间发生的决定性变化，地球的特征已经由上帝创造完成。那场大洪水已发展成俗称“灾变论”（catastrophism）的地质理论，灾变指的就是上帝在地球释放的灾难性洪水。本身不像赫顿那么虔诚的莱尔非常清楚，均变论的原理一定会被视为对《创世记》的故事和教会的挑战。1830年，在出版他即将成为经典的著作《地质学原理》（Principles of Geology）前夕，莱尔写给朋友：
我相信我会让我的地质学〔著作〕……受到欢迎。老〔约翰〕佛莱明〔牧师〕（Reverend John Fleming）很害怕，认为这个时代无法容忍我反摩西〔亦即反《旧约圣经》〕的结论，这个主题起码有一段时间不受教士欢迎，并且令他们尴尬。
虽然教会对《地质学原理》的后续反应不一，莱尔的著作无疑深深启发了达尔文。那几乎立刻为他剥去峡谷、河谷和沉积物最可能是在大洪水期间形成的原有信念。随着小猎犬号造访一连串千变万化的地貌，现在达尔文首次开始用前所未有的眼光看待地质构造。例如，在小猎犬号的船员忙着绘制巴塔哥尼亚地图之际，达尔文常上岸四处漫步，发现一层又一层裸露的沉积物，而那些沉积物中充满奇特、绝种动物的化石。
一次，在一万英尺高的安地斯山脉，达尔文发现好几块满是贝壳化石的岩床。他断定，这些岩层显然曾深在海底，后来才被未知的地质力量抬升上来。仔细检查后，达尔文也察觉这些构造不可能是这6000年的自然过程所造就。根据他自己的观察，现在又受莱尔影响，达尔文认同地球的历史一定有数百万年以上，而非数千年。他了解，地球也非停滞不动，而是时时在变。所以他不由得想，这些时而激烈的环境变迁会对动植物产生何种影响。
达尔文在巴塔哥尼亚的考察大多有费茨罗伊船长陪同。船长也读过莱尔的地质学着作，但终究无法像达尔文或莱尔那样看世界。此时此刻达尔文眼中地质力持续作用数百万年的证据，在费茨罗伊看来，仍是大洪水的结果。费茨罗伊后来撰写了此次航海的纪录。在标题为〈论洪水〉（On the Deluge）的一章，他甚至采用了一些达尔文后来用来支持演化论的证据，然而在费茨罗伊的例子，那些证据反倒强化了他对《圣经》洪水叙述根深柢固的信念：
越过安地斯山脉时，达尔文在海拔六、七千英尺处发现了嵌在砂岩中的石化树林，又在海拔一万两三千英尺处发现贝壳化石、石灰岩、砂岩和“混著甲壳”的卵石所形成的砾岩。在发现石化树林的砂岩上方，则是一大片黑色……熔岩形成的岩床，约有一千英尺厚；在这上面，这些岩层起码交替出现五次，还有水中的沉积物，形成数千英尺的厚度。
这些火灾与水灾结果的绝妙交替，在我看来，恰恰不容置疑地证明这里发生过那场唯一可能造成这种结果的巨大灾变。那场以“深渊的泉源崩裂了，天国的窗户敞开了”一言，在我们心里投下阴影的水与火山作用的可怕结合。
当时，对达尔文和费茨罗伊来说，南美洲的苍穹成了某种巨大版的罗夏克墨渍测验（Rorschach Test）：费茨罗伊仔细凝视这座大陆变化莫测的地层，看到了古代大洪水故事的实质证据。“我心笃信（，未受《圣经》影响）。”费茨罗伊回来后写道：“这片土地经历过浩瀚的洪水。”也常望着相同地层的达尔文却因受到莱尔影响，相信他正凝视着地球历史的深处，运用推理，瞥见一段他之前做梦也没想过的原始过往。
但虽然达尔文对地球史的心智模式已起了变化，在他踏上加拉巴哥群岛的那一天，他的生物学观念仍和其他维多利亚时代的科学家类似。如前文所述，根据达尔文同期生物学家的看法，是上帝创造地球各物种，虽然在创造之后，似乎有某种程度的生物适应性变化发生。
查尔斯?莱尔在《地质学原理》中写到“创造中心”，即上帝在地球许多地方创造各个物种，而在此之后，各物种会经受微小的变化。例如上帝显然觉得在澳洲适合创造袋鼠。婆罗洲则适合红毛猩猩。非洲：大猩猩。伊甸园：人。事实上，人类就是物种内“变化”或“变种”的好例子：某些地方的人是黑皮肤，某些地方是白皮肤；有些地方的人拥有亚洲特征，有些地方有原住民特征。但没有科学家怀疑所有不同种族的人类都属于同样的智人种（Homo sapiens），即现代人所属的物种，或所有变种都源自人类的第一个“创造中心”，可能在中东。许多科学家认为，不论动植物都具有设法适应新环境的能力，但没有哪种动植物有能力转变成全新的物种，唯有上帝做得到。
因此在达尔文踏上加拉巴哥群岛之际，他想当然地认定，那些岛屿住着从南美大陆迁徙过去的动植物；南美大陆才是上帝最早创造它们的地方。所以，如果一只嘲鸫来到其中一座岛屿，它可能已在新环境经历些微的变化，但无疑仍属于持续存在于美洲大陆的那个物种。达尔文认为，生物的物种永远不变。
这种先入为主的创造论思想，就是达尔文最后在采集加拉巴哥鸟类样本时出纰漏的原因。他不是鸟类学家，也不是植物学家或分类学家。既没有专家协助，也无法取得专家常赖以比较不同物种的博物馆收藏，他无从了解或确认他所见生物的品种。数年后，在回想自己是怎么在加拉巴哥采集植物时，他语带懊恼地写道：“由于对植物学一无所知，我在这个自然史领域采集得比其他领域更盲目。”他指的是他尝试在岛上搜集重复的植物标本，那样的标本之后可分给不同博物馆，这种做法在当时相当常见，至今依旧。达尔文后来才知道，因为无知，达尔文后来才发现：“我可能把第二或第三种当成第一种的重复样本了。”换句话说，达尔文并非采集到同一物种的三个样本，而是在无意间采集到三个不同的物种，却标示为同一种。
加拉巴哥群岛令人眼花撩乱的小鸟，也让达尔文遇到类似的问题。既然他尚未造访毗连的大陆、无缘见到博物馆的收藏，身边也没有任何鸟类学的书籍助他分门别类，他的困境并不令人意外。毕竟，加拉巴哥群岛上有许多鸟类从来没有科学文献描述过。因此，达尔文试图鉴定鸟类的任务是项艰巨的挑战。
在此航程，费茨罗伊船长虽然也偶尔采集动物，但他的目的是要交给君主，并不在意鉴定之事。他反倒大感惊异：上帝竟创造了如此适合这些岛屿的物种：
所有住在这些熔岩岛屿上的小鸟都有很短的喙，下半身厚实，像红腹灰雀（bull-finch）那样。这显然是无限智慧最令人钦佩的安排，借此，每一种被创造的生物都能适应〔上帝〕意欲它栖身之处。
反观达尔文的工作则是尽量理解群岛的鸟类生态，如果可能，也采集每一种鸟的雄鸟和雌鸟各一。但到头来，很多鸟他无法分类。而那些鸟不怕人的特性也令他吃惊。1835年9月17日，即达尔文在加拉巴哥群岛的第一天，他在日记中写道：
晚餐后，一群人上岸〔圣克里斯托巴尔岛〕试图捕捉陆龟，徒劳无功……那些鸟没见过人类，认为人跟他们的同胞，那些巨大的陆龟一样无害。那些不到三、四英尺的小鸟，安静地在灌木林间跳来跳去。也不怕丢向它们的石头。金恩先生用他的帽子宰了一只，我则用枪的尾端把一只大老鹰推下树枝。
最后，达尔文在群岛采集了26种鸟。其中13种是雀，但达尔文只能正确鉴定出六种。另外七个雀的品种外型迥异，达尔文完全认不出它们是雀，而标为三种完全不同的鸟科。另外，因为达尔文认定每座岛跟邻岛一定有同种的小鸟，他并未费心标出这些鸟来自哪一个岛。他未曾怀疑每一座岛上可能有类似但完全不同种的鸟。毕竟，上帝为什么要在邻近的岛屿创造不同种的鸟呢？如果某一种鸟在某个岛过得不错，又何必在另一座岛创造类似的物种？为什么不继续沿用同一种就好？因此达尔文多半标示那些鸟采集的日期，而省略确切的产地。他只标注笼统的地域，编为“加拉巴哥群岛”。
