За более чем 20 лет он собирал факты, обрабатывал тогдашние достижения в различных областях биологии и селекции. Только в 1859 изложил результаты исследований в книге «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение избранных пород в борьбе за жизнь». В трудах «Изменения домашних животных и культурных растений под влиянием одомашнивания» (1868) и «Происхождение человека и половой отбор» (1871). Ученый дополнительно исследовал некоторые проблемы эволюции, в частности искусственный отбор в качестве основы селекции, и попытался обосновать происхождение человека и обезьян от общих предков.
Он предложил гипотезу образования коралловых атоллов, не потеряла своего значения и теперь. Впервые исследовал роль дождевых червей в почвообразовании, приспособления орхидей к опылению насекомыми. Внес значительный вклад в изучение современных и ископаемых усоногих раков.