Altre prove a sostegno dell’evoluzione provengono dai reperti fossili che, una volta analizzati e datati, possono rivelare fra l’altro qual è stata la successione delle antiche forme di vita; i fossili indicano che gli organismi più semplici si trovano negli strati rocciosi più antichi e quelli più complessi negli strati più recenti.

Gli studi geologici, così come la raccolta di piante e di animali, erano fra le attività che Darwin svolgeva a bordo del Beagle. Le coste del Sud America erano particolarmente interessanti poiché mostravano prove di un esteso sollevamento della crosta terrestre che lasciava esposti molti strati geologici. Questi strati, come quelli studiati da William Smith nelle Isole Britanniche, contenevano depositi successivi di conchiglie marine, alcuni dei quali vennero trovati molto al di sopra del livello del mare. Poiché la percentuale di specie moderne aumenta gradualmente negli strati che si sono sedimentati più recentemente, Darwin fu in grado di calcolare la loro età relativa e di correlare tra loro gli strati osservati in località diverse, come Smith aveva fatto prima di lui.

Da nessuna parte nei reperti geologici, secondo le proprie osservazioni o nei resoconti di altri, Darwin trovò esattamente ciò che stava cercando: le prove di un graduale passaggio da una specie a un’altra. Perciò, come Darwin scrisse in L’origine delle specie, la documentazione fossile forniva una prova poco significativa di come si era svolta l’evoluzione; per i suoi contemporanei e per gli studiosi moderni, invece, i reperti fossili hanno fornito la prova schiacciante che l’evoluzione ha effettivamente avuto luogo.