父親發現，查理在愛丁堡大學兩年什麼也沒有學到，想讓查理繼承自己的事業看來是不可能的了，查理對醫學根本不感興趣。
查理的姐姐們也都對父親說，弟弟不上課、不考試，他討厭學醫。父親知道，現在的查理對體育運動入了迷，但讓查理成為一個游手好閒的運動員，父親是不願看到的。羅伯特·達爾文找來兒子，很嚴肅地同他談了心，問他將來想不想做一個牧師。查理對他父親說，這件事他要想一下再作決定。他並不討厭做一名鄉村牧師，他也是一個虔誠的基督教徒，為了自己的未來，他甚至翻看了全部英國教堂的教義，就是確認自己能不能做一名牧師。通過研究一些神學書籍，他瞭解了英國的教義，覺得自己還是可以做一名牧師的。他便找到父親，告訴他這一想法。令他想不到的是，後來自己的理論受到了教徒們的猛烈攻擊，成名後的他一想到自己曾想過做一名牧師，便會哭笑不得。
畢業於大學神學系是做一名牧師的基本條件，但在入學之前，他還得複習一下在巴特勒爾學校學到的古典語，這些是上神學院必備的基礎知識，但他早就忘了。
1827年10月15日，達爾文被劍橋學院錄取為低年級寄宿生，接受紹烏老師的教導。不過，他後來說，他在第二年才進入劍橋。
達爾文的父親不知道的是，自然科學才是查理最感興趣的。達爾文在愛丁堡時未能認真地學習醫學，來到劍橋也一樣，還是沒能夠使自己認真地去學習神學。不過這時的達爾文隨著年齡的增長開始懂事了，為了不想讓父親生氣，他能夠約束住自己。在劍橋，他長期不上神學課、語文課和數學課，沒事的時候就研究甲蟲。但一到快考試的時候，為了能夠考好，他不得不臨陣磨槍，加班加點地複習神學科目。考完試後，他便放下那些神學課本，注意力又轉移到他感興趣的自然科學上。總之，他在劍橋學習只是應付，他的情趣仍然在自然科學上。
值得一提的是，在劍橋的最後一年，達爾文準備學士學位考試的時候，他補習了數學和古典作品方面的知識。除此之外，為了應付考試，他還瞭解了玻利的《基督教教義證驗論》、《倫理學》和《自然神學》。玻利的《基督教教義證驗論》他理解的並不是很深，只是喜歡玻利的推理過程和那一長串的結論。1831年，達爾文通過學士學位考試。
達爾文在劍橋時還加入了一個俱樂部，它是由一夥十分快樂的年輕人組建的，俱樂部成員每週都有一次聚餐。達爾文後來曾說過類似這樣的話，在俱樂部時經常盡情玩樂，有時候還會喝許多酒，浪費了不少美好的青春時光。
約翰·毛裡斯·赫伯特就是達爾文在俱樂部時認識的，赫伯特畢業去了威爾士，在那裡當了一名法官。在他年老回憶到達爾文的時候，他曾這樣說：「他是一位極其親切、熱情和寬宏大量的朋友，人們都用最親熱的態度對待他。他從內心裡憎恨一切虛假的、卑鄙的、殘酷的、庸俗的和不誠實的行為，贊同一切美好和公正的行為。」
性格開朗的達爾文在這裡結交了不少朋友，和在愛丁堡一樣。他有一個非常好的朋友叫維特萊。這位朋友是一位優秀的數學家。劍橋有這樣一個慣例：做一份專門的花名冊，花名冊叫做「榮譽學位考試」名單，就是把數學考試的優等生列入花名冊，第一名被稱做「數學學位考試一等及格者」，維特萊就獲得了這個榮譽稱號。達爾文和維特萊兩人經常形影不離，閒來無事的時候，兩人就一起出去散步，而且是長時間散步。
在維特萊的影響下，達爾文對繪畫、音樂等一些藝術有了一定的瞭解。維特萊還給達爾文介紹了自己的表兄赫伯特，赫伯特很喜歡音樂，他還勸達爾文加入音樂小組，但達爾文的樂感實在太差，入了小組也沒唱什麼歌。
在假期的時候，達爾文和赫伯特偶爾一起去巴爾穆特去度假。在這裡，赫伯特在達爾文的吸引下，也開始收集甲蟲，達爾文曾戲說這一舉動是「為科學服務」。他們每天不是到巴爾穆特前面的山裡去遊玩，就是乘船去旅行。在巴爾穆特坡度很緩的山上，達爾文常常收集昆蟲，當然，他更喜歡收集甲蟲。他要赫伯特幫他的忙，便給了赫伯特一個裝有酒精的瓶子，讓他收集各種他認為是罕見的甲蟲。赫伯特這個大好人，極其認真地開始往瓶子裡裝甲蟲。不過，他剛開始收集的甲蟲，都是很平常的那種。但達爾文對昆蟲學孜孜不倦的鑽研精神，感染了赫伯特。後來，達爾文離開了這裡，囑咐他繼續收集甲蟲，他後來終於也收集到罕見的甲蟲。
不過，達爾文能夠熟悉昆蟲學，還多虧了他的堂兄威廉·福克司·達爾文。因為兩人對自然科學非常愛好，查理在劍橋時同這位堂兄很親近。後來，福克司成為一名鄉村牧師，但他依然很喜歡自然科學，這也是後來他們倆更加親密的原因。
在昆蟲學方面，達爾文一有什麼最新發現，就會告訴福克司。有一次，他和福克司說，為了向倫敦牛津大學的第一個動物學教授霍普先生談論和觀察昆蟲，他在那裡整整等了兩天。達爾文拿著自己和福克司的昆蟲收集品給霍普看，霍普讚揚了一番，拿出自己的昆蟲收集品，這令達爾文非常著迷。最後，他從霍普那裡得到了將近一百六十個昆蟲新品種，霍普想必對達爾文很感興趣，還十分慷慨地要把自己最稀有的昆蟲標本送給他。
達爾文還和福克司提過一位研究甲蟲的大專家史蒂芬斯，達爾文說，他很欣賞史蒂芬斯的搜集品，還說他與史蒂芬斯經常在一起喝茶、聊天。達爾文這次到倫敦，結識了許多博物學家，長了許多見識。參觀了其他許多「博物學家集聚」的地方，訪問了皇家學院、林納學會和動物園，參觀了各種自然史機構。
他還告訴福克司，他獵獲了不少鳥，讀了不少關於動物的書。為了甲蟲問題，他曾和一位昆蟲學家發生爭吵，最後，他竟然威脅這位昆蟲學家說，要把昆蟲學家從樓梯上推下去。總之，他當時對收集甲蟲的興趣大得很。這一點，從達爾文所寫的一封信中就可以看出來，他在信中說過這樣一件事：「有一次我剝開了一塊樹皮，看到兩隻罕見的甲蟲，於是我兩手各捉了一隻；就在這時我又瞧見了第三隻新品種的甲蟲，腹部帶有大十字花紋，我不忍把它放走，於是我把右手裡的那只用牙齒輕輕咬住，好騰出手來。可是狡猾的甲蟲排出了一種極辛辣的液體，使我感到非常噁心，我不得不把這只甲蟲吐出，這樣一來，不僅捉到的兩隻跑了，第三隻也沒有捉到。」
不順利的事，他也會告訴福克司。在採集昆蟲的路上，他曾病倒過；為了應付考試，他沒有抓過一隻昆蟲。
達爾文因為經常收集昆蟲，在實踐中，他想出了一些新的收集昆蟲方法：專門雇一個人跟著自己，見到老樹後，讓雇的人在上面刮苔蘚。然後，在一隻口袋裡裝好刮下來的苔蘚。用上面的方法，一些罕見的新品種被達爾文找到了。史蒂芬斯寫了一本不列顛甲蟲的書，他在裡面看到「查理·達爾文捕獲」這幾個字時，便感到極為高興。
劍橋大學除了必修課外，還開設像賽斯·威克教授講授的地質課，這門屬於公共課，達爾文對這門課程很感興趣。不過，他最終沒去聽賽斯·威克的課，可能是因為以前愛丁堡大學的地質課使達爾文極為失望，以至於他現在也不想去學。他聽了漢斯羅的植物學課，在講課中，漢斯羅敘述清楚並出示美妙的圖解，達爾文很喜歡聽他的課。
早在進劍橋大學之前，達爾文就聽許多人說過，年僅三十二歲的漢斯羅是一位知識淵博的博物學家。漢斯羅經常徒步旅行，有時還帶著學生和同事們一塊去。當然，如果旅行目的地特別遠的話，他們有時候也會乘車，有時候也會坐船，這樣的旅行令達爾文神往。不久之後，，達爾文通過福克司結識了漢斯羅。
每週，漢斯羅都會舉辦一次聚會，來的主要是大學裡一些年輕的學生和年長的職員。這些集會無拘無束，他們毫不避諱地討論一些觀點和學術界的新理論。後來的雷耶夫協會，就是在這些人的努力下建立起來的。
達爾文熱愛自然史的那種特別真誠的心和他那活潑而又反應靈敏的大腦吸引著他周圍的人。很快，漢斯羅就和達爾文熟悉了。在劍橋的最後幾年裡，達爾文和漢斯羅每天都要一起散步。和漢斯羅的這種友誼影響了達爾文的一生，正是因為漢斯羅，才有達爾文後來的環球旅行。
漢斯羅知識淵博，所學包括植物學、昆蟲學、地質學、礦物學和化學等方面的知識，他很高興別人向他請教問題，而且他性格溫和、善良，待人特別親切，不自私、不愛慕虛榮，這一切都在影響著達爾文。漢斯羅那兒經常舉行一些有趣的聚會，這也對達爾文的成長起了促進作用。在一起聚會的這些人中，有漢斯羅的一個親戚叫詹寧斯。後來，達爾文同他經常聯繫。詹寧斯後來發表了一些作品，是關於幾部自然史方面的著作和其他一些著作。
在這個時期，達爾文閱讀了不少書，但對他產生重大影響的有兩本書：一本是《自然哲學的初步研究》，是天文學家約翰·赫瑟爾所作，正是這本書讓達爾文開始致力於自然科學的研究。另一本書是《美洲旅行記》，是亞歷山大·洪堡德所作。
在這本遊記中，亞歷山大·洪堡德對他旅行過的各國大自然風光和風土人情作了生動的描寫，所以，這部遊記的可讀性遠比一般遊記要好。洪堡德是一個知識淵博的人，仁慈、愛好自由的他極富敏銳感。他善於對旅行中的一些新事物或新東西作一系列詳細地藝術描寫。
達爾文深深地沉浸於洪堡德這部藝術性的旅行記中，讀了英文版的第一卷之後，他興奮的無法形容。書裡面寫到加那利群島的自然風光，如何攀登火山特納裡夫峰，一切都引人入勝，還有一些對不知名的動植物的描寫，更是令達爾文喜不自勝。洪堡德對一些自己旅行過的地方大加讚賞，因為那裡不僅有美麗的風景、漂亮的動植物，還沒有農奴制。達爾文對這個正義的人很是欽佩。
看過這本旅行記後，達爾文一直想出去遊行，但一直未能如願。不過，他一直未放棄這個決定，時刻等待著機會。
暑假的時候，達爾文還是在梅爾和維茨沃德，有時也會去位於埃通的新住處打獵。
達爾文是在聖誕節前進入劍橋大學的，雖然他在1831年年初參加了劍橋大學的畢業考試，但還得在那裡待兩個學期。
在漢斯羅的影響下，達爾文決定研究地質學。為此，他做了一件很難的事，他繪製了一張施魯斯伯裡的地質圖，圖上各地被標上不同的顏色、不同的地質……他還研究了英國的地質學，看了相關方面的書籍後，得出了一些很有趣的結論——人們只瞭解自己生活的那片土地。
這時，地質學家賽斯·威克要到北威爾士去旅行，漢斯羅請求他帶達爾文一起去。
和漢斯羅一樣，賽斯·威克也是一位優秀的旅行家。在英國和歐洲大陸，他同自己的朋友麥奇遜（以研究俄羅斯地質學方面的著作而出名）一起做了大量的研究工作，查明了各個時期沉積物，做成序列。兩人這時正準備到不列顛群島去，研究古生代的沉積物。
在旅行中，賽斯·威克經常讓達爾文去採集岩石標本，他在地圖上標出這些岩石標本的層理。慢慢地，達爾文就學會了分析全國的地質情況。
旅行結束後，達爾文穿過幾座山，到了巴爾穆特幾位劍橋朋友那裡。在那裡待了幾天，又回到梅爾去打獵。在日記中，他這樣寫道：「七月份，我極為貪婪地鑽研著地質學。」
在劍橋的時候，達爾文過著雙重生活：他一方面一心撲在自然科學和體育運動上；另一方面，為了應付，他參加了必修課的考試和學士學位的考試。同昆蟲學家們的交往，和漢斯羅等人相識，打獵、騎馬旅行和讀書，同賽斯·威克一起進行的地質考察，這一切把他鍛煉成一個博物學家。後來，他被自然科學家們稱為「野外工作者」式的博物學家。