1. Distribuzione fossile e specie estinte: Darwin osservò fossili di mammiferi giganti estinti in Sud America, come il bradipo gigante e il glyptodon. Questi fossili erano sorprendentemente simili alle specie moderne che vivevano nelle stesse regioni, ma molto più grandi. Ciò ha suggerito un legame tra specie estinte e viventi, suggerendo un graduale processo di cambiamento nel tempo. Ha anche osservato fossili in diverse regioni che erano uniche per quell'area, anche se gli ambienti erano simili, suggerendo che diverse specie si sono presentate in luoghi diversi.
2. Distribuzione geografica delle specie viventi: Darwin ha osservato notevoli variazioni nella specie che ha incontrato nel suo viaggio. Ad esempio, i fringuelli sulle Isole Galapagos, sebbene strettamente correlati, hanno mostrato diverse forme di becco e dimensioni perfettamente adattate alle loro specifiche fonti alimentari. Ciò ha suggerito che le specie non erano fisse, ma potevano adattarsi al loro ambiente nel tempo. Questa osservazione, combinata con la sua conoscenza di specie estinte, lo ha portato a credere che le specie viventi discendessero da antenati che erano più adatti all'ambiente passato.
Queste osservazioni, insieme alla sua vasta lettura e ricerca, alla fine hanno portato Darwin a concludere che le specie viventi si sono evolute da specie estinte attraverso un processo di selezione naturale, in cui gli organismi con tratti vantaggiosi hanno maggiori probabilità di sopravvivere e riprodursi.
