Darwin hayal gücünde canlandırdığı bu mekanizmaya "doğal seleksiyonla evrim" adını verdi. Artık, "türlerin kökeni"ni bulduğunu düşünüyordu: Bir türün kökeni başka bir türdü. Sonunda bu fikirlerini 1859 yılında yayınlanan Türlerin Kökeni adlı kitabında açıkladı.
Darwin teorisini "doğal seleksiyon" kavramı üzerine kurmuştu. Doğal seleksiyon, doğadaki yaşam mücadelesinde, güçlü veya ortamın şartlarına uygun olan canlıların hayatta kalması anlamına gelir. Darwin'in teorisini ortaya koyduğu kitabının başlığında bile vurgulanan iddia budur: Türlerin Kökeni, Doğal Seleksiyon Yoluyla.Darwin'in temelsiz mantığı şöyledir:
Bir canlı türü içinde doğal ve rastlantısal farklılıklar olmaktadır. Örneğin bazı inekler daha büyük, bazıları daha koyu renklidir. Bu değişikliklerin hangisi avantajlı ise, o özellik doğal seleksiyon vasıtasıyla seçilecektir. Böylece söz konusu avantajlı özellik, o hayvan topluluğuna hakim hale gelecektir. Bu özelliklerin uzun zaman içinde birikmesiyle de, ortaya yeni bir tür çıkacaktır.Ancak Darwin'in ortaya attığı bu "doğal seleksiyonla evrim" teorisi, daha ilk aşamada en temel soruları cevapsız bırakıyordu. Şayet canlılar Darwin'in iddia ettiği gibi kademe kademe evrimleşmiş olsalardı, bu durumda çok sayıda "ara tür" yaşamış olmalıydı. Ancak fosil kayıtlarına bakıldığında bu teorik canlılardan -hayali ara geçiş formlarından- hiçbir eser yoktu. Darwin bu sorun üzerinde çok kafa yormuş ve sonuçta "bu fosiller ileride bulunabilir" demek zorunda kalmıştı. Ancak aradan 150 yıl geçmesine rağmen umulan fosiller bulunamadı.
Darwin, canlıların sahip oldukları göz, kulak, kanat gibi kompleks organları doğal seleksiyonla açıklama konusunda da çaresizlik içindeydi. Çünkü tek bir dokuları bile eksik olsa hiçbir işe yaramayacak olan bu organların, kademe kademe gelişmiş olduklarını savunmak imkansızdı. (bkz. İndirgenemez komplekslik) Nitekim Darwin, teorisiyle ilgili yaşadığı sıkıntıları Türlerin Kökeni adlı kitabında kendisi de belirtmek zorunda kalmıştı. (bkz. Türlerin Kökeni) Tüm bunların öncesinde, Darwin'in "tüm canlıların ortak atası" dediği ilk canlı organizmanın nasıl oluştuğu konusu tam bir muammaydı. Çünkü cansız maddelerin, doğal süreçlerle canlı hale gelmesi mümkün değildi. İlerleyen bilim ve teknoloji ise çok kısa bir süre içinde Darwin'in ilkel bilim anlayışının ürünü olan teorisini temelinden yıktı.