Karol Robert Darwin urodził się 12 lutego 1809 roku w miasteczku Shrewsbury, na północ od Birmingham w Anglii. Przyszedł na świat jako piąte z sześciorga dzieci w zamożnej rodzinie. Jego ojciec Robert Waring Darwin był wziętym lekarzem, a matka Susannah Wedgwood - córką Josiaha Wedgwooda, założyciela słynnej manufaktury ceramicznej. Dziadek ze strony ojca, Erasmus Darwin (1731-1802), nie tylko był lekarzem i wynalazcą (ponoć to on podsunął Jamesowi Wattowi pomysł skonstruowania maszyny parowej...), ale i stworzył własną teorię ewolucji (czy - jak wówczas mówiono - transmutacji gatunków). Zawarł ją w traktacie "Zoonomia" (1794) i pośmiertnie wydanym poemacie "Świątynia Natury".
Koncepcja Erazma Darwin przypominała tę, którą w tym samym czasie we Francji rozwijał wybitny zoolog Jean-Baptiste Lamarck (twórca pojęcia "biologia").

W wieku zaledwie 8 lat Karol Darwin został osierocony przez matkę; ojciec nigdy się ponownie nie ożenił. Początkowo młody Darwin uczył się w domu z pomocą starszego rodzeństwa, a następnie trafił do prywatnej szkoły z internatem. Nie lubił panującej tam surowości ani nie pociągała go nauka przedmiotów klasycznych. Pasjonowała go za to przyroda. Jako nastolatek uzupełniał nudną szkolną edukację kolekcjonując w okolicy okazy fauny i flory - zbierał owady, łowił ryby i polował na ptaki - a także prowadząc doświadczenia w domowym laboratorium chemicznym, które urządził wraz ze starszym bratem Erazmem (zdrobniale zwanym Erasem). Ojciec namawiał go do pójścia w swoje ślady i pozwalał mu nawet leczyć niektórych swoich pacjentów, a następnie w 1825 roku posłał na studia medyczne do Edynburga, gdzie akurat odbywał praktykę lekarską Eras, niedawny absolwent Cambridge. Bracia zamieszkali razem i oddawali się urokom studenckiego życia. Medycyna nie wciągnęła Karola (zwłaszcza kiedy okazało się, że nie potrafi znieść sekcji zwłok, ani krzyku dzieci poddawanych zabiegom bez znieczulenia). Korzystał natomiast z okazji, by się kształcić samodzielnie (np. przez dwa miesiące prywatnie uczył się wypychania zwierząt). Działał w kole naukowym (Towarzystwo Pliniuszowe), uczęszczał na wykłady z przedmiotów przyrodniczych, w tym geologii, i poznawał faunę morskiego wybrzeża. Po dwóch latach ostatecznie porzucił studia lekarskie.

Darwinowie byli wyznania unitariańskiego, ale ojciec uważał, że status duchownego anglikańskiego zapewni niezdyscyplinowanemu młodzieńcowi godziwą pozycję społeczną i finansową, tak więc zgodnie z sugestiami rodziny Karol Darwin rozpoczął studia teologiczne. Kontynuując swe przyrodnicze zainteresowania, m.in. zbierając chrząszcze w towarzystwie ówczesnej ukochanej, Fanny Owen, pomyślnie ukończył studia na uniwersytecie w Cambridge w 1831 roku (z 10. lokatą na 178 studentów wydziału teologicznego tego rocznika). Podczas studiów zgłębiał dodatkowo botanikę, zoologię i geologię.

Pod koniec 1831 roku wyruszył w na pokładzie okrętu JKM "Beagle" pod dowództwem kapitana Roberta FitzRoya na trzyletnią ekspedycję kartograficzną, która miała sporządzić dokładne mapy wybrzeży Ameryki Południowej. Z rekomendacji zaprzyjaźnionego botanika z Cambridge, Johna Henslowa, Darwin został okrętowym przyrodnikiem; miał też dotrzymywać towarzystwa kapitanowi. Obawiano się bowiem, że porywczy kapitan może źle znosić długotrwały rejs bez kontaktów z wykształconym człowiekiem z własnej sfery. FitzRoy, o cztery lata starszy od Darwina także fascynował się przyrodą (podobnie jak lekarz pokładowy Robert McCormick). Z czasem rozkazy Admiralicji wydłużyły wyprawę w pięcioletni rejs. Większa część przypadła na badanie Ameryki Południowej; Darwin dużo czasu spędził na lądzie, penetrując brazylijskie dżungle, chilijskie Andy, argentyńskie pampasy, Ziemię Ognistą i Falklandy. Zebrał bogate kolekcje zoologiczne, botaniczne, paleontologiczne i geologiczne, z których część sam opracował naukowo. Droga powrotna wiodła przez Galapagos, Tahiti, Nową Zelandię, Australię, Wyspy Kokosowe, Mauritius i Południową Afrykę z powrotem na Atlantyk. Wydana po powrocie do Anglii w 1836 roku książka Darwina o podróży na okręcie "Beagle" dookoła świata stała się wiktoriańskim bestsellerem podróżniczym.

Dawna ukochana, z którą zerwał po jej zaręczynach z anglikańskim duchownym, w międzyczasie wyszła za początkującego polityka (czego zresztą wkrótce zaczęła żałować). Darwin ożenił się więc w 1839 roku z Emmą Wedgwood, swoją o kilka miesięcy starszą kuzynką (Darwinowie i Wedgwoodowie dość często pobierali się między sobą, np. starsza siostra Karola, Caroline wyszła za brata Emmy, Josiaha Wedgwooda III, a młodsza siostra Catherine wychodząc za owdowiałego Charlesa Langtona została macochą syna Charlotty Wedgwood, kolejnej siostry Emmy). Ślubu udzielił im kuzyn John Allen Wedgwood.

Początkowo młodzi małżonkowie zamieszkali w Londynie, ale kłopoty zdrowotne i niepewna sytuacja polityczna prowadząca do częstych zamieszek w stolicy skłoniły Darwina do przeprowadzki za miasto. W miasteczku Downe w hrabstwie Kent kupił byłą plebanię, która po przebudowie stała się jego wiejską rezydencją Down (dziś jest tam muzeum). Urządził tam obszerną bibliotekę, laboratorium, a także ogród, gdzie również prowadził doświadczenia. Nękany chorobami (zapewne nabytymi w tropikach) pod troskliwą opieką Emmy uczony spędził w Down House ostatnie czterdzieści lat życia. Darwin korzystnie inwestował posiadane pieniądze, w tym posag żony i spadek po ojcu zmarłym w 1848 roku, toteż jako właściciel ziemski i akcjonariusz towarzystw kolejowych i przemysłowych mógł zapewnić dostatni byt rodzinie i poświęcić się pracy naukowej. Z dziesięciorga dzieci siedmioro dożyło wieku dorosłego: Francis wykładał botanikę w Cambridge i przygotował do druku spuściznę epistolograficzną ojca, George został profesorem astronomii w Cambridge, Horace został merem Cambridge, Leonard posłem do Izby Gmin oraz prezesem Królewskiego Towarzystwa Geograficznego, William był bankowcem, Henrietta wydała korespondencję rodzinną, głównie matki, Elizabeth pozostała z matką, a po jej śmierci żyła samotnie.

Darwinowie zamieszkali w Down w 1842 roku. Tydzień po przeprowadzce Emma urodziła słabowitą córeczką, która po trzech tygodniach zmarła. Największym ciosem (i przyczyną ostatecznej utraty wiary w Boga) była dla Darwina śmierć ukochanej dziesięcioletniej córeczki Annie, która w 1851 roku zmarła wycieńczona po wielomiesięcznej ciężkiej chorobie, bardzo cierpiąc do końca na oczach Darwina. Ostatnie dziecko Darwinów, Charles Waring, urodzone w 1856 roku, kiedy Emma miała już 48 lat, było opóźnione w rozwoju. Chłopczyk zmarł na szkarlatynę w czerwcu 1858 roku, co zbiegło się z innym wstrząsem emocjonalnym dla Darwina: kilka dni wcześniej otrzymał list z Malajów od Alfreda Russela Wallace'a, który załączał rękopis opisujący dobór naturalny jako podstawowy mechanizm ewolucji biologicznej - a więc niezależnie doszedł do wniosków, nad którymi Darwin pracował od dwudziestu lat!

Już obserwacje poczynione podczas rejsu na "Beagle", np. zróżnicowanie fauny poszczególnych wysp Galapagos (olbrzymich żółwi oraz zięb Darwina) podsunęły Darwinowi koncepcję ewolucji i mechanizmu ją powodującego. Przez lata jednak rozwijał ją w samotności, a następnie stopniowo wtajemniczał tylko żonę i wąski krąg zaprzyjaźnionych przyrodników: botaników Johna Henslowa Josepha Hookera i Asę Graya oraz geologa sir Charlesa Lyella. W tym czasie Darwin zyskał reputację wybitnego przyrodnika rozprawami naukowymi związanymi z opracowaniem zbiorów zoologicznych z rejsu "Beagle", Darwin wyjaśnił też mechanizm powstawania atoli koralowych i rozstrzygnął przynależność systematyczną osobliwych morskich osiadłych zwierząt: pąkli i kaczenic (rozpoznał w nich skorupiaki). Równolegle jednak zbierał materiały do wielkiego (i nigdy nie ukończonego) dzieła o doborze naturalnym, studiując zmienność dzikich i udomowionych zwierząt i roślin, korespondując z hodowcami i prowadząc własne doświadczenia.

Kiedy Wallace nadesłał swój list, przyjaciele Darwina doprowadzili do tego, że na jednym posiedzeniu Towarzystwa Linneuszowego, 1 lipca 1858 roku, odczytano dwa pisma Darwina, w których formułował on teorię doboru naturalnego, a następnie rozprawę Wallace'a. Zarówno ta prezentacja, jak i publikacje materiałów z posiedzenia w czasopiśmie Towarzystwa nie wywołały wielkiej sensacji. Dopiero wydana w 1859 roku książka "O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego, czyli o przetrwaniu doskonalszych ras w walce o byt" okazała się przełomem. Napisana pospiesznie jako popularne streszczenie zamierzonego dzieła naukowego rozeszła się w błyskawicznie - pierwsze wydanie sprzedało się w 5000 egzemplarzy, co na owe czasy było olbrzymim nakładem jak na książkę naukową. Darwin rozwijał swoją teorię w kolejnych dziewięciu wydaniach tej książki, a także w oddzielnych tomach poświęconych m.in. pochodzeniu człowieka (trafnie domyślając się, że przodków człowieka należy szukać w Afryce), doborowi płciowemu czy "wyrazowi uczuć u człowieka i zwierząt" (kładąc podwaliny pod etologię porównawczą i psychologię ewolucyjną). Do mniej znanych zasług Darwina należy m.in. wyjaśnienie roli dżdżownic w spulchnianiu gleby, szereg prac botanicznych, np. o ruchach roślin, o zapylaniu storczyków. Prace naukowe przyniosły Darwinowi powszechne uznanie, członkostwo (ze względu na stan zdrowia głównie korespondencyjne) prestiżowych towarzystw naukowych oraz doktorat honoris causa Uniwersytetu w Cambridge (choć dopiero w 1877 roku).

Poglądy Darwina podważające stałość stworzonych przez Boga gatunków wzbudziły początkowo wielkie emocje, ale dalszy rozwój nauk przyrodniczych przyznał mu rację - a dzięki genetyce darwinowski mechanizm doboru naturalnego stał się znów głównym wyjaśnieniem procesu ewolucji (przez pół wieku po śmierci Darwina biolodzy skłaniali się ku innym hipotezom, ale z czasem wykazano, że to on miał na ogół słuszność). Jednym z głównych problemów, jakie napotkał Darwin, była nieznajomość mechanizmów dziedziczenia. U schyłku życia rozwijał nawet własną koncepcję tzw. pangenezy, zgodnie z którą poszczególne tkanki i narządy wysyłają do gruczołów płciowych "gemmule" z zakodowanymi informacjami dziedzicznymi, które trafią do komórek rozrodczych zostaną przekazane potomstwu. Taki model zakłada dziedziczenie cech nabytych w ciągu życia (jak u Lamarcka) i jest oczywiście sprzeczny ze współczesną wiedzą genetyczną. Jak na ironię, Darwin mógł uniknąć tego i wielu innych problemów. W kolejnych wydaniach "O powstawaniu gatunków" pod wpływem krytyki niepotrzebnie modyfikował wiele trafnych założeń ustępując przed argumentami opartymi na założeniu o dziedziczności cech nabytych. Niestety, jak reszta współczesnych, przeoczył opublikowane w 1865 roku po niemiecku w morawskim Brnie prace Grzegorza Mendla, który w klasztornym ogrodzie odkrywał reguły dziedziczenia Dlatego ewolucjoniści aż do początków XX wieku obracali się w sferze mglistych, a często błędnych przypuszczeń na temat genetycznych mechanizmów ewolucji.

Darwin zmarł 19 kwietnia 1882 roku, niespełna rok po stracie ukochanego brata Erasa.
Choć z wiekiem uczony stał się agnostykiem i rodzina planowała pogrzeb na terenie posiadłości Down, 26 kwietnia 1882 roku pochowano Darwina z honorami w Opactwie Westminsterskim - brytyjskim odpowiedniku Katedry Wawelskiej.