Phương pháp mà Darwin đã sử dụng để xây dựng học thuyết chọn lọc tự nhiên và hình thành loài được thực hiện qua 3 bước:

- Bước 1 – Quan sát thu thập dữ liệu: Từ việc quan sát các loài sinh vật trong tự nhiên cùng các giống vật nuôi và cây trồng, Darwin thấy rằng: Các cá thể trong cùng một quần thể mặc dù có nhiều đặc điểm giống nhau nhưng cũng khác nhau về một số đặc điểm di truyền (biến dị cá thể). Các loài thường có khả năng sinh ra một số lượng lớn cá thể con so với số lượng cá thể mà môi trường có thể nuôi dưỡng.

- Bước 2 – Hình thành giả thuyết giải thích dữ liệu: Từ các quan sát của mình, Darwin suy ra các giả thuyết:

+ Các sinh vật đều có chung một nguồn gốc.

+ Chọn lọc tự nhiên dẫn đến hình thành các loài khác nhau từ một tổ tiên chung: Trong quần thể sinh vật luôn có sẵn một lượng biến dị di truyền, những biến dị làm tăng khả năng sống sót và khả năng sinh sản của sinh vật thì tần số các biến dị đó sẽ ngày một tăng dần trong quần thể ở các thế hệ sau. Theo thời gian, số lượng các cá thể có biến dị thích nghi tăng dần, hình thành nên loài mới.

- Bước 3 – Kiểm chứng giả thuyết bằng thực nghiệm: Darwin đã làm nhiều thí nghiệm để chứng minh cho giả thuyết của mình như tiến hành ngâm nhiều loại hạt giống khác nhau trong nước biển với thời gian dài để chứng minh các cây trên đảo đã được phát tán từ đất liền, tiến hành thí nghiệm trên cây nắp ấm để chứng minh cấu trúc lá bắt côn trùng là đặc điểm của cây để thích nghi với môi trường nghèo nitrogen,…