一駛進大海，達爾文馬上又開始暈船了。好多天，他孤伶伶地在甲板上晃盪，或是逃回他的吊床上躺著。在他的筆記本裡，關於一八三二年七月十六日，有一條頗傷感的簡短記載：「老在暈船。飛魚──海豚」。他並不屬於那類會漸漸習慣大海的人，直到這趟航程結束，他依然是個差勁的水手，和他自普利茅斯港出航時沒有兩樣。即使到一八三五年三月，他還是在家書中寫道：「我依然飽受暈船之苦，這種精神上的折磨和痛苦，實在沒有任何事物能夠彌補得了，即使地質學本身也一樣（不能彌補）。」
◆閃亮的日子
但是，除非身體真的完全不能支持，不然在海上他倒是從來沒有閒著。只要四周有任何值得一看的景物，他總會帶著望遠鏡爬上甲板。漫漫長日，他都用在觀察或思考他所見到的大批鳥類，並且得出一項結論：遷徙本能超越其他所有本能之上。「每個人都知道母性本能有多麼強烈；然而，由於遷徙本能實在太強了，以致於到了晚秋，有些鳥類甚至會遺棄牠們的幼雛，聽任巢中小鳥淒慘地死去。」他還提到一個聽來的例子：有隻鵝在翅膀被剪過之後，竟然用步行的方式來遷徙。
鯨魚群也浮出海面噴著水柱，緊隨著小獵犬號；而且有一次，當他們以每小時九海哩的速度滿帆前行時，竟出現了數百條海豚。好長一段時間，牠們來來回回繞著小獵犬號而行，在船舷前方交叉游動，並高高躍出海面。接下來，當船繼續航向南方，他們還見到了犬吠企鵝（barking penguin），這種企鵝會發出類似狗叫的聲音。
有天晚上，他們在拉巴拉他（Rio La Plata）河口下錨，桅頂閃電的光芒照亮了桅桿、帆具及索具，這時，企鵝群衝過水面，在身後留下長長的粼光尾波。
「所有的東西彷彿都在燃燒般，」達爾文寫信給韓士婁：「天空中有閃電，水面上閃光點點，甚至連船桅都宛如聳立在藍色火焰中。」
在里約熱內盧停泊時，船上的醫官麥克康米克離開了小獵犬號。他在船上並不很受人歡迎，甚至連達爾文都說：「他走不算是損失。」
取代麥克康米克的白諾卻是一個人緣很好的小伙子，而且白諾這時已經成為達爾文的好友。他和達爾文一樣熱愛博物學，只要有機會，總是盡可能隨達爾文一道上岸，此外，他也全力協助達爾文減低暈船的痛苦。白諾曾參加小獵犬號上一趟的航海，因此能夠提供許多應付暈船的實用訣竅；同時，每當達爾文和費茲羅發生小衝突後，白諾還是達爾文大吐苦水的好對象。白諾還有另一項優點：他非常關心那幾名火地島土著，而巴頓對他也是佩服得五體投地。
◆船上布道會
現在，他們的船航過熱帶，開始進入溫帶區。空氣更加清新，海水更藍，組員的衣服也愈穿愈厚。達爾文仿俲其他船員，開始蓄鬍鬢，他說，那模樣「就好像臉洗了一半的掃煙囪工人。」
每逢星期日早晨，費茲羅都會為全體船員講道，這樣的場面想必很令人感動：費茲羅挺立在後甲板上，面前聚集了船員，頭頂上則是高高揚起的大帆。身材嬌小的火地女孩貝絲凱特以及她兩名火地同伴，也都全副星期日上教堂的整齊裝束，站在甲板上。圍繞在他們四周的物件都熟得不能再熟了，以致大夥常常視而不見：船舵後牆上掛著的短彎刀、毛瑟槍和手槍，外緣刻有「英格蘭期許人盡其責」（England Expects Every Man To Do His Duty）的船舵，軸心則有埃爾所繪的海王星及三尖叉圖案；再來，就是四周茫茫無涯的大海了。
熱中基督教基本教義的費茲羅，幾乎從不放過講頌聖經「創世紀」章節的機會：「於是，神造出野獸，各從其類，牲畜各從其類，地上一切昆蟲，各從其類，神看著是好的。」
「神說，我們要照著我們的形象，按著我們的樣式造人，使他們管理海裡的魚、空中的鳥、地上的牲畜，以及全地……。」
我們幾乎可以想像那清朗威嚴的聲音這樣解說道：「但是這個由上帝創造的人類卻日漸腐化，而且使世上充滿暴力。於是，上帝就降洪水淹沒世界達一百五十天，將人類毀滅掉。然而，由於上帝的慈悲，祂准許諾亞建造一個方舟，並將他的家人以及每種動物各取一公一母，送上方舟，而他們也全都得救。於是，這個由上帝初創的世界就被保存到現在。所以，且讓我們全體船員謹記上帝的恩典，並求祂賜福保佑我們這趟即將進入未知海域的航程……。」這個場景的靈感來自埃爾的畫作「一艘英國船艦上的布道會」（Divine Service on Board a British Frigate），他後來曾將這幅畫送到倫敦皇家藝術院展出。
◆船長膽識過人
一到了海上，費茲羅總是那個最能自得自在的人。在這兒，船艦上的狹小空間中，岸上生活的複雜和凌亂全都被擺在一邊，事情總能控制得妥妥貼貼的──銅砲擦得光可鑑人，帆具位置也全都擺設得宜。與大海搏鬥是一樁光明、高尚的事務，沒有什麼好懼怕的。不論小獵犬號組員對他們的船長有何看法，沒有人會懷疑他的膽識，「我會毫不猶豫的選擇跟隨這位只帶十名手下的船長，也不願跟隨任何其他帶領二十名手下的人，」達爾文在家書中這樣告訴姊姊蘇珊：「他的謹慎和機警簡直出神入化，而且面臨必要的時刻，他更是英勇非凡。」
因此，當小獵犬號在拉巴拉他河口遇上麻煩時，船員全都興奮不已。從里約熱內盧往下航行二十八天後，他們來到布宜諾斯艾利斯港的停錨處。正當他們要進港的時候，阿根廷警備艦竟然朝他們開火。第一次射擊的是空包彈，第二次則是真槍實彈，劈劈啪啪的從小獵犬號帆索頂上呼嘯而過。費茲羅繼續航向停錨處，同時立即差遣兩艘小船上岸去要求解釋。然而，在小艇水手還沒來得及登陸之前，一名阿根廷海關官員便跑出來，命令他們立刻返回母船，還說他們必須先接受疫病隔離檢查才行。
到了這個時候，費茲羅可沒心情服從任何要求了。他下令小獵犬號改變航線，備好槍砲，然後駛向警備艦。當兩船靠近時，費茲羅向警備艦大喊道，如果他們膽敢再開一次火，他將用小獵犬號的舷側把他們那條廢船撞爛。說完，費茲羅便下令小獵犬號順著混濁的拉巴拉他河駛向蒙特維多港（Montevideo），那兒正停了一艘英國戰艦「德魯伊號」（Druid）。事情很快就安排妥當，砲火備齊了的德魯伊號將立即駛往布宜諾斯艾利斯，要求阿根廷政府出面道歉。這時，達爾文和其他組員一樣，也不禁熱血沸騰：「哦，我真希望警備艦會向戰艦開火。果真如此，她的末日可就到了。」
有一陣子，情況看起來似乎正朝著他所期望的方向發展。一名阿根廷政府公使神情嚴肅地登上小獵犬號，並帶來消息：蒙特維多那兒的軍隊已經叛變了，費茲羅是否願意派遣一支兵力上岸，就近保護當地英國商人的財產？「當然」，費茲羅答道，他很樂意這麼做。他甚至親自打頭陣上岸偵察敵情，緊接著便來到堤上，打信號回母船，要小獵犬號船員登岸。
五十二名組員配備了步槍和短刀，分乘數艘小艇上岸，而後整隊行軍穿過大街，進駐中央堡壘。達爾文也在行伍之中，腰間掛著兩柄手槍，手中握著短彎刀。但是多可惜呀，結果什麼事也沒發生，造反者就這麼無聲無息地開溜了。於是，小獵犬號突襲隊在堡壘裡待了一個晚上，烹煮了一頓牛排大餐後，便很沒趣的返回母船。
幾天後，德魯伊號帶回布宜諾斯艾利斯港口的道歉之意，以及該警備艦艦長已遭到逮捕的消息。這當然不能算是什麼偉大勝利；不過，他們總算是讓阿根廷人見識了一下，這個插曲大大拉近小獵犬號全體組員與船長間的距離，然後，大夥全都興致高昂地沿著光禿禿的海岸向南航行。
◆柯文坦加入採集行列
差不多就在這段期間，達爾文找到了一個名叫柯文坦（Sims Covington）的助手，這人原先在小獵犬號名冊上的身分為「小提琴手兼舳樓艙僕僮」。達爾文先前曾教導他如何剝皮、填充，以製備鳥類及其他動物標本，而且也教他如何協助採集標本，然後漸漸的，達爾文放手把愈來愈多的實務工作交給他執行。最後，差不多一兩年後，達爾文甚至把寶貝手槍交給他，自己不再出手射擊，雖說他從前曾一度非常沉迷於射撃術。
感覺起來，柯文坦似乎是不會與達爾文起共鳴的人。「我的僕役是個有點奇怪的人，」達爾文寫道：「我並不很喜歡他；但是，也許正因為他的古怪，反而使他非常符合我的工作要求。」不過末了，這兩人似乎處得還真不錯，因為在小獵犬號返回英格蘭之後，柯文坦還替達爾文工作了好些年。
九月七日，他們抵達巴治布蘭加灣（Bahia Blanca）的一個小型軍事要塞城鎮，距離布宜諾斯艾利斯南方約四百哩左右，而費茲羅就要從這兒開始測量尚未繪製地圖的巴塔哥尼亞（Patagonia）海岸線。
這是一處非常荒涼的地方。寬廣的淺灣中塞滿淤泥，到處都是黯淡無光的蘆葦，以及成群結隊的螃蟹。陸地上也沒有什麼樹木，這兒難得下雨，只有陰冷的風陣陣刮過平坦的彭巴草原。這裡的阿根廷駐軍是由一小隊衣衫襤褸的高卓牧人（gaucho）所充任，他們安穩地駐紮在一處四面環有溝渠及圍牆的堡壘中。印地安生番（這個名詞是用來區別那些已經「馴化」的印地安人）常在附近徘徊，任何人要是離開堡壘閒盪太遠，都是很危險的事。
剛開始，士兵們對小獵犬號十分懷疑：她很可能是來走私軍火給土著的，又或是為外國勢力打探情報；而且，他們尤其不喜歡那個名叫達爾文的「博物學家」的模樣。博物學家到底是什麼意思？他每每腰間插著兩管手槍，手裡拿著地質槌上岸來到底是在做什麼？士兵們於是在海邊跟蹤達爾文，當他們看到達爾文深入一處峭壁邊動手敲砍一堆老舊骨骸時，不禁露出懷疑的表情。
◆千年化石出土
彭塔艾爾他（Punta Alta）是達爾文諸多重大發現的出土地點，包括這趟初訪以及一年後的第二次探訪都是如此。這兒是一處高度差約二十呎的低矮河岸，地層成分為圓卵石、碎石，以及一片由紅色黏土流經形成的岩層。在這片峭壁腳邊的碎石中，可以找到已經化石化的骨骸，它們散布在大約二百平方碼的面積內。起先，達爾文沒法分辨出自己究竟挖到了什麼：總計有一支長牙、一對大爪子、一副類似河馬的動物頭骨、以及一大片已變成石頭的甲殼。除了古怪之外，這些動物遺骸還有一項共通點：它們全都很巨大，遠超過任何現今仍存活、形狀又類似的動物骨骸。
在一八三二年那個時代，有關南美洲古生物學的研究還非常之少。差不多在那之前半世紀，有人在阿根廷找到一副大地獺（Megatherium）的骨骼，並將它運到馬德里；此外，洪鮑特和幾名旅者也曾掘出一些乳齒象（mastodon）的牙齒，但其他就所知不多了。因此不難理解，當這些巨大的史前動物骨骼慢慢現形後，達爾文心中有多興奮。他在日記中寫道：「大樹獺動物骨骼的超級尺寸實在太令人驚奇了。」
他和柯文坦拿著鶴嘴鋤在彭塔艾爾他開始工作。但時間很有限，達爾文必須全神貫注蒐尋化石。「晚上也留在彭塔艾爾他，以便二十四小時全天候搜尋骸骨。骨頭蒐集得非常成功，夜晚也過得很愉快。」愈來愈多的化石化骨骸重見天日，堆積在海邊。
達爾文開始了解到，他正在挖掘的是現代動物學裡前所未聞的物種，而且牠們早在數千年前就已經從地球上消失了。這些化石包括大樹獺（giant sloth）的部分骨骸，這種大怪物曾經用手爪採食樹頂嫩芽；以及另外兩種同樣巨大且關係相近的野獸，貧齒大地獺（Megalonyx）和肋獸（Scelidotherium）──關於後者，達爾文弄到了一副近乎完美的骨骸。再來還有箭齒獸（Toxodon），這是一種長得像河馬而且是「前所未見最怪異的動物之一」；巨大的犰狳（armadillo）；一種已經絕種的大象磨齒獸（Mylodon）的長牙；一隻後弓獸（MacraucAenia），「很不尋常的四足哺乳動物」；以及一隻和駱駝一般大的栗色駱馬（guanaco，wild lama）。
這些骨骸全都埋藏在厚厚的貝殼層中，「對於這些絕種的大怪獸而言，此處堪稱是一座完美的地下墓穴。」
◆神祕的巨獸
在達爾文看來，這些動物最重要的地方在於，牠們的外形和現今地球上仍存活的某些小型動物非常相像，雖然是不同物種。例如，棲息在樹上的小型樹獺、擅長挖洞的小犰狳以及體形精巧的駱馬。「我相信，同一塊大陸上，已絕跡動物和現存動物間這種奇妙關聯，將來一定有助於我們了解地球生物的出現以及消失。」當聖經裡描述的大洪水發生時，這些大猛獸究竟在哪裡？其中，尤其神祕難解的，在於達爾文發現了一匹馬的骨頭。當西班牙征服者在十六世紀首次登陸前，南美洲人從來沒看過馬這種動物。然而，這塊化石明確證實，在很久很久以前，馬兒曾經存在南美洲。
這一切是否意味著，各式各樣的物種都在不停地變化、發展之中，而那些不能適應周遭環境的物種就會滅絕？如果真是這樣，那麼，地球上現存的物種應該和上帝最初創造的物種大不相同才對；事實上，甚至連造物過程是否可能在一週內完成，都大有疑問。造物應該是一個持續不斷的過程，而且已經進行了很久、很久。
還有一個問題，達爾文也想不通，那就是野生植物與動物數量間的關係。最後，他認為植物的數量無關緊要；至於植物的質量，「古代犀牛即使是處在現今環境中，可能也會在西伯利亞的中央大草原上定居。」達爾文指出，完全沒有證據能支持「這些動物需要靠茂盛的熱帶植物來維生」的想法。
◆誰是物種終結者？
彭塔艾爾他並非達爾文唯一有斬獲的地點。稍後，在前往聖塔菲（Santa Fé）的旅途中，他也曾在巴拉那河（Parana River）突出的懸崖峭壁上，找到兩副巨形骸骨。不過它們受損得很嚴重，因此，達爾文只取走了小塊牙齒碎片。
到了蒙特維多，達爾文聽到更多有關化石遺骸的消息，於是趕往調查。這些遺骸包括一副完整的箭齒獸頭顱，然而達爾文很難過的寫信給博物學家歐文（Richard Owen，1804─1892），談論挖掘化石的艱苦：「起先，這顆顱骨被鄰近農家當成珍品保管了一小段時間，但是等我到達的時候，它已經躺在院子裡了。我用十八分錢把它買下來。」很顯然，它剛被發現時，形狀非常完整，但是被小孩用石頭砸過後，牙齒都脫落了。
一八三四年一月，達爾文在聖朱利恩（St Julian）發現一副後弓獸的骨骸，並寫道：「我們或許會因此而下結論，認為整個彭巴草原相當於一處絕種四足哺乳類的大型墳場……」但是，「我們可不能將地殼看成只埋藏一座典藏豐富的博物館，而應該把它看成是一群量少且岌岌可危的蒐藏品。」
那麼，這許多物種到底終結在誰在手裡？
「很顯然，在漫長的世界史中，再沒有什麼事實能比地球居客反覆而大量的滅絕，更令人震驚了。」他先把「氣候變遷可能引發這次滅絕」的可能性排除掉，然後又仔細思考了許多其他理論，最後得出一個結論：巴拿馬地峽可能曾經一度淹沒在海面下。他想的沒錯，因為在七千萬年前，根本還沒有巴拿馬地峽，南美洲是一個大島，因此上面的動物都是在與外界隔離的狀況下演化的。當地峽隆起，北美洲和南美洲連成一氣之後，這些奇形怪狀、龐大無助的野獸終於步上滅絕的命運。
達爾文把標本統統搬上小獵犬號。魏克漢對於這些「古里古怪」的東西出現在他整潔的甲板上，非常反胃，抗議不該堆放「這些該死的玩意兒」。費茲羅後來也回憶道：「我們對於他一再搬些垃圾回到船上，都覺得好笑。」
但是，就達爾文看來，這絕非無足輕重的玩意兒，而且，想必就在這段期間，他開始和費茲羅爭辯有關大洪水故事的真實性。這些如此龐大的動物要怎樣進到方舟裡？對於這個問題，費茲羅自有答案。他解釋道，並不是所有動物都被納入方舟；基於神的旨意，牠們被摒絕在方舟之外，因而淹死。達爾文反駁道，但是他們「果真」是淹死的嗎？許多證據，例如海裡的貝殼，證明這兒的海岸是從海底隆起的，而這些動物就分布在彭巴草原，生存情況類似今天的栗色駱馬。費茲羅辯稱，陸地並沒有隆起；事實上是海平面上升，而那些溺死的動物的骨骸，正是大洪水曾經發生的一大佐證。
◆科學與聖經對話
在航程早期，達爾文並未準備要強力爭辯；他只是感到迷惑，他需要更多證據以及更多時間來思考。他甚至情願自己被說服，承認他心中翻騰的這些新奇、擾人的念頭都是錯誤的。他當然不希望否認聖經中的真理，「處身荒僻之地（指大森林），無人能毫不動容，」他曾這樣寫道：「也無法不覺得人的內在除了呼吸之外，還有些什麼別的東西。」達爾文在那時候仍然認為，這樁工作只是為了要用現代科學來詮釋聖經。關於這一點，費茲羅非常樂意幫忙。
我們不妨想像，這兩人坐在狹窄的船艙中，燈火在他們頭頂上晃盪，時間在精密計時器的滴答聲中流逝，而他們面前攤放著好幾本書：費茲羅那本翻過無數次的聖經，萊伊爾的《地質學原理》第二卷，這是達爾文剛剛在蒙特維多收到的。在他倆感覺，他們似乎真的會找出真相。
春天已悄悄降臨，這段時間可以說是再快樂不過了。達爾文幾乎每天早晨都會扛著他的新來福槍外出，為小獵犬號弄些新鮮糧食回來。
在這兒狩獵真是美妙。有些時候，他竟背了兩頭甚至三頭鹿，另外還有鴕鳥（更不必說那些巨大、味美的鴕鳥蛋了）、野豬（曾經射到一頭九十八磅重的野豬）、犰狳和駱馬。駱馬是一種非常好奇的動物；達爾文發覺，只要他仰躺在地，兩腳朝天亂踢，駱馬就一定會走過來看個究竟。這時，達爾文只要跳起身就可輕易把牠射倒。
鴕鳥肉餡餅和烤犰狳是船上最受歡迎的兩道菜，一道嚐起來像牛肉，另一道則像鴨肉。費茲羅曾經向阿根廷士兵買過一頭美洲豹，大夥也將牠剝皮宰吃了。至於魚類，他們只需把網撒進灣裡，就一應俱全。成群的魚兒被拖上船，其中還有許多是未知品種；埃爾負責把牠們繪下來，達爾文則負責把牠們浸入酒精裡。
到了一八三二年十一月底，吃飽喝足，船上的所有事情也都料理妥當後，他們展開下一段拉巴拉他河之旅，然後要再一次往南航行，去完成費茲羅心中記掛著的實驗：送巴頓和他的朋友們返回火地群島上的家鄉；同時，還要在那遙遠、寂寞的海岸邊，建起一處嶄新的基督教前哨地。就在大勝灣（Bay of Good Success）邊，達爾文終於下定決心要獻身於博物學，他望能「為博物學略盡棉薄之力」。