Charles Darwin nasceu na casa da sua família em Shrewsbury, Shropshire, Inglaterra, em 12 de fevereiro de 1809. Foi o quinto dos seis filhos do médico Robert Darwin e sua esposa Susannah Darwin. Seu avô paterno foi Erasmus Darwin e seu avô materno o ceramista Josiah Wedgwood, ambos pertencentes à proeminente e abastada família Darwin-Wedgwood e à elite intelectual da época. Sua mãe morreu quando ele tinha oito anos. No ano seguinte, em 1818, Darwin foi enviado para a escola Shrewsbury. Interessava-se então apenas em colecionar minerais, insetos e ovos de pássaros, caça, cães e ratos.

Em 1825, depois de passar o verão como médico aprendiz ajudando seu pai no tratamento dos pobres de Shropshire, Darwin foi estudar medicina na Universidade de Edimburgo. Contudo, sua aversão à brutalidade da cirurgia da época levou-o a negligenciar seus estudos médicos. Na universidade, aprendeu taxidermia com John Edmonstone, um ex-escravo negro, que lhe narrava sobre as florestas tropicais na América do Sul. Em seu segundo ano, Darwin se tornou ativo participante de sociedades estudantis para naturalistas. Participou, por exemplo, da Sociedade Pliniana, onde se liam comunicações sobre história natural. Nesta época foi pupilo de Robert Edmond Grant, um pioneiro no desenvolvimento das teorias deJean-Baptiste Lamarck e do seu avô Erasmus Darwin sobre a evolução de características adquiridas. Darwin tomou parte das investigações de Grant a respeito do ciclo de vida de animais marinhos. Tais investigações contribuíram para a formulação da teoria de que todos os animais possuem órgãos similares e diferem apenas em complexidade. 

 Em 1827 seu pai, decepcionado com a falta de interesse de Darwin pela medicina, matriculou-o em um curso de bacharelado em artes na Universidade de Cambridge, para que ele se tornasse um clérigo. Nesta época, clérigos tinham uma renda que lhes permitia uma vida confortável, e muitos eram naturalistas, uma vez que, para eles, "explorar as maravilhas da criação de Deus" era uma de suas obrigações. Em Cambridge, entretanto, Darwin preferia cavalgar e atirar, ao invés de estudar. Passava muito do seu tempo coletando besouros com seu primo William Darwin Fox. Este o apresentou ao reverendo John Stevens Henslow, professor de botânica e especialista em besouros que, mais tarde, viria a se tornar seu tutor. Darwin ingressou no curso de história natural de Henslow e se tornou um de seus alunos prediletos. Nesta época Darwin se interessou pelas ideias de William Paley, em particular a noção de projeto divino na natureza.Em suas provas finais em janeiro de 1831, ele se saiu muito bem em teologia e, mesmo tendo feito apenas o suficiente para passar no estudo de clássicos, matemática e física, foi o décimo colocado entre 178 aprovados.

 Seguindo os conselhos e exemplo de Henslow, Darwin não se apressou em ser ordenado. Inspirado pela narrativa de Alexander von Humboldt, ele planejou se juntar a alguns colegas e visitar a Tenerife para estudar história natural dos trópicos. Como preparação, Darwin ingressou no curso de Geologia do reverendoAdam Sedgwick, um forte proponente da teoria de projeto divino, e viajou com ele como um assistente no mapeamento estratigráfico no País de Gales. Contudo, seus planos de viagem à Ilha da Madeira foram subitamente desfeitos ao receber uma carta que lhe informava a morte de um dos seus prováveis colegas de viagem. Outra carta, entretanto, recebida ao retornar para casa, o colocaria novamente em viagem. Henslow havia recomendado que Darwin fosse o acompanhante de Robert FitzRoy, capitão do barco inglês HMS Beagle, em uma expedição de dois anos que deveria mapear a costa da América do Sul. Isto lhe daria a oportunidade de desenvolver a sua carreira como naturalista. Esta se tornaria uma expedição de quase cinco anos que teria profundo impacto em muitas áreas da Ciência.