在达尔文看来，生物的变异性是有机体的一种本能。自然界无时无刻都在变化着、运动着，如果生物非常“顽固”，一点不能改变，那么就无法生存。达尔文列举大量事实证明了自然状态下变异的普遍性。同一种兽类，长年在寒冷地区生活的，皮肤厚，毛量多，密度大；一窝生的小猪个头有大有小，模样也有区别。同一父母的后代之间会有许多微小的差异。栖息在同一有限地区的同种个体也会观察到许多微小差异。达尔文指出，分布广、扩散大的物种极易发生变异；各地区较大属内的物种比较小属内的物种更容易发生变异。
达尔文特别强调，生物的变异不仅会发生在不重要的器官，而且会大量的发生在很重要的器官。他说：“个体间的差异一般发生在博物学家认为不重要的器官上，但我可以通过很多事实，证明同种个体间的差异，也常发生于那些无论从生理学，还是从分类学来看，都很重要的器官。”“生物发生变异，甚至重要构造器官上的变异，其数量多得惊人。”“可能没有人会料到，昆虫的大中央神经节周围的主要神经分枝在同一物种里也会发生变异。”
为了证明物种可变和生物的变异性，达尔文对上百种品种繁杂的家鸽（他亲自养了近百只）进行了专门的、具体的比较研究，认为这些品种都是由野生岩鸽传衍下来的。
达尔文还通过生物界中变种、中间过渡类型生物和可疑物种的大量存在证明：生物是变异的，物种是可变的。他说，假如物种都是由神独立创造出来的，这些就无法解释了。
变异的原因及法则：
（1）生活环境和生活条件对生物体的影响。达尔文认为，生活条件通过两种方式起作用：一是直接作用于生物体的整个机制或局部构造，如用不同的食料饲养动物，食料好且丰富，生长发育就好，反之，则差；“食物供应的多寡引起生物体大小的变异，食物的性质导致肤色的变异，气候的变化引起皮毛厚薄的变异等等”。
在热带种植的包心甘蓝不能很好包心；密林中的树木向上生长直而高。二是间接地影响到生殖系统。生殖系统对外界条件的变化极为敏感，例如，许多栽培植物生长茂盛，但很少结籽，或根本不结籽；在某一特殊阶段，条件些许变化，如水分多一点或少一点，便足以导致结果或不结果。再有，驯养动物并不难，但要让它们在栏内交配、繁殖并非易事。许多野生动物，在家养的条件下常常不能生育或产生的后代变异比较大。
（2）器官的使用和不使用，经常使用的器官则发达，不经常使用的，则退化。这就是“用进废退”。例如，家鸭的翅骨与其整体骨骼的重量比要比野鸭的小；而家鸭的腿骨与其整体骨骼的重量比，却比野鸭的大。无疑，这种变化应归于家鸭飞少走多之故。母牛和母山羊的乳房，在经常挤奶的地区非常发达，在不挤奶的地区，乳房则小。达尔文还注意到许多家养动物的耳朵往往下垂，其原因可能是在家养的环境下，很少受惊吓，耳肌不常使用的缘故。
（3）杂交。达尔文认为，杂交可引起变异，“可形成现有品种”。他认为，“不同变种间的杂交或同一变种内不同品系个体间的杂交，可以使动植物的后代强壮并富于生殖力，这与养殖家们的普遍信念是一致的；反之，近亲交配必定减弱个体的体质和生殖力”。
（4）相关变异。达尔文认为生物体的各个器官彼此都是密切联系的。因此，如果生物体的一个器官发生变异，会引起其他一些器官发生相应的变异。如长腿的动物，颈也长；无毛的狗，其牙也不全；毛白眼蓝的猫，一般都耳聋。
关于遗传，达尔文认为，生物的变异大多数可以遗传。尽管达尔文当时对支配遗传的基本法则还不清楚，但他肯定，能遗传的变异无论是微小的还是在生理上有重要价值的，其频率和多样性都是无可计数的。他还说，“对遗传力之强大，饲养者们从不置疑”。
2.生存斗争
面对生物界发展变化的大量事实，达尔文深究其原因。他想，各部分生物之间的相互适应，它们对生活环境的适应，以及单个生物与生物之间的巧妙的适应关系，何以能达到如此完美的程度？那些被称为初期物种的变种，是如何最终发展成为明确的物种的呢？而许许多多新的物种又是如何产生的呢？经过艰苦的研究，他得出这样的结论：“这一切都是生存斗争的结果。”
生物所面对的生存环境“包括气候、天气、食物短缺、毒素、疾病、寄生虫、捕食者和同一物种内的激烈竞争”。对此，达尔文称之为“恶劣的自然条件”。在这种条件下，达尔文举例证明“一切生物都卷入到激烈的竞争之中”。鸟儿大量地取食昆虫和植物的种子，其他食肉鸟或兽大量地毁灭鸟儿的卵和雏鸟；食物缺乏的时候，为了生存两只狗在争夺食物；生长在沙漠边缘离开水分便不能生存的植物，为生存而争夺水分；一株年产1000粒种子的植物在和已经遍地生长的同类和异类植物相斗争；植物的幼苗大量地遭受敌害的毁灭；一块草地上，开始自然长出20种杂草，结果有9种因受其他繁茂的植物的排挤而灭绝；在某种生物非常繁茂的地方，某些时期这种生物也会因被敌害，或因争夺同一地盘与食物而遭受重大减灭。
那么，生物界为什么存在着生存斗争呢？
达尔文从马尔萨斯人口论中得到启发，找到了生物进化的机制和驱力。他看到，高繁殖率与食物以及生存空间有限性的矛盾是生物界生存斗争的主要原因。他指出，一切生物都有高速率增加个体数量的倾向，这必然会导致生存斗争；由于生产出来的个体要多于能够存活下来的个体的数目，那么自然界中将不可避免地要发生生存斗争。他说，如果每一种生物都高速率地自然繁殖而不死亡的话，即便是一对生物的后代，用不了多长时间也会挤满地球。
在他看来，生存斗争有三个方面的内容：一是同一物种内个体与个体间的斗争；二是不同物种生物之间的斗争；三是生物与其所在的自然条件的斗争。这些，我们都可以从上面所列举的众多事例中得到证明。
尽管生物个体具有几何级数增加的巨大潜力，但在自然界中生物个体的数量仍相对稳定。是什么在抑制生物个体数量的增加呢？达尔文认为就是生存斗争。对此，他具体地提了以下几个要点：一是食物的多少对物种的个体数量起控制作用；二是物种的个体数量取决于被其他动物捕食的情况，他举例说，毫无疑问，在任何大块田园里的鹧鸪、松鸡和野兔的数量，主要取决于被敌害消灭的程度；三是气候在决定物种个体平均数方面起着重要的作用。他说，那些周期性的极为寒冷和干旱的季节，似乎最能有效地控制生物个体数量的增加。“在北极地区、雪山之颠或荒漠之中，生存斗争的对象几乎完全是自然环境了。”
达尔文说：“在我看来，只有对生存斗争有深刻的认识，一个人才能对整个自然界的各种现象，包括生物的分布、稀少、繁多、绝灭及变异等事实，不致感到迷惘或误解。”
3.自然选择
在人类手中产生巨大作用的选择（人工选择）原理，能适用于自然界吗？有斗争就有胜负，那么在生存斗争中的谁胜谁负有无规律可寻？
达尔文作了肯定的回答。
对于第一个问题，他说“我们将会看到，在自然状态下，选择原理能够极其有效地发生作用”。对于第二个问题，他说，“适者生存”。一方面，“具有任何优势的个体，无论其优势多么微小，都将比其他个体有更多的生存和繁殖的机会，另一方面，我们也确信，任何轻微的有害变异，都必然招致绝灭。我把这种有利于生物个体的差异或变异的保存，以及有害变异的毁灭，称为‘自然选择’或‘适者生存’”。
他还说：“在世界范围内，自然选择每时每刻都在对变异进行检查，去掉差的，保存、积累好的。不论何时何地，只要一有机会，它就默默地不知不觉地工作，去改进各种生物与有机的和无机的生活条件的关系。”
结果是，有利变异趋于保存和积累，不利变异趋于消亡，一大批个体死亡而不留下后代，少数个体得以生存并传衍后代。
生物在自然选择的作用下如何进化呢？达尔文以狼为例予以说明：假设一个地区由于某种变化，狼所捕捉的动物中，跑得最快的鹿的数量增加、其他动物数量减少，在这种情况下，当然只有跑得最敏捷、体型最灵巧的狼才能获得充分生存机会，才被选择和保存。又如，由于花蜜能吸引昆虫传粉、导致杂交，而杂交能产生强壮的幼苗，因而那些花腺体最大的植物，分泌的花蜜就最多，受到昆虫的光顾就最多，获得杂交的机会就最多。长此以往，它们就会占有优势并形成一个地方变种。
达尔文把“每一微小有利的变异能得以保存的原理称为自然选择，以示与人工选择的不同”。他说，自然选择“是永无止境的，其作用效果之大远远超出人力所及”。
人工选择“仅就生物的外部和可见的形状加以选择，而‘自然’（请允许我把‘自然保存’或‘适者生存’拟人化）并不关心外表，除非是对生物有用的外表。‘自然’可以作用到每一内部器官、每一体质的细微差异及整个生命机制”。
正是因为有自然选择，不管自然环境发生怎样的变化，整个生物界也会不断进化，不断发展，始终处于繁茂的状态。