В 1825 году, когда Чарльзу было шестнадцать, отец забрал его из школы и отправил учиться в Эдинбургский университет. Юноше предстояло стать медиком, как его отец и дед. За два года, проведенные в Эдинбурге, Чарльз понял, что медицина – не его стезя. Лекции были невыносимо скучны, операции, на которых приходилось присутствовать, проводились без наркоза (его тогда не было) и вселяли ужас.
Чарльз всерьез увлекся естествознанием. Он стал членом Плиниевского студенческого естественно-научного общества при Эдинбургском университете, на заседании которого сделал доклад о своей первой исследовательской работе по зоологии. Чарльз учился собирать и препарировать морских животных, увлекся коллекционированием жуков, брал уроки набивки чучел птиц.
Когда отец предложил Чарльзу поступить в колледж Христа Кембриджского университета, он после недолгих раздумий согласился. Его взгляды не вступали в противоречие с церковными догматами, а перспектива вести спокойную жизнь сельского пастора, а весь досуг посвящать любимому естествознанию, была весьма привлекательна.
В октябре 1828 года Чарльз был зачислен в университет, а в январе 1829 – приступил к занятиям. Три года, проведенные в Кембридже, Дарвин называл счастливейшими в своей жизни. Лекции по-прежнему не слишком увлекали, но сложился интереснейший круг знакомств. Чарльз научился разбираться в классической музыке, любовь к которой, несмотря на отсутствие слуха, сохранил на всю жизнь, стал интересоваться живописью, и, конечно же, продолжил занятия естествознанием. Огромную роль в судьбе Дарвина сыграл профессор ботаники Кембриджского университета Дж. Генсло. В его доме еженедельно по пятницам происходили встречи людей, увлеченных естественными науками. Позже именно Генсло порекомендовал молодого выпускника Кембриджского университета Ч. Дарвина в качестве натуралиста на готовящийся совершить кругосветное плавание корабль «Бигль».
Комната Ч. Дарвина в общежитии в Кембридже
В январе 1831 года Чарльз с успехом сдал экзамены на степень бакалавра в Кембридже.
В августе 1831 года Дарвин совместно с профессором геологии Седжвиком отправился в небольшую экспедицию по Северному Уэльсу. Полученные навыки сбора геологических образцов и полевых наблюдений очень пригодились Чарльзу во время кругосветного путешествия.