Charles Darwin dilahirkan di Shrewsbury, Shropshire, Inggris, di rumah keluarganya, the Mount House. Ia adalah anak kelima dari enam bersaudara dari seorang dokter yang kaya, Robert Darwin dan Susannah Wedgwood. Kakeknya, Erasmus Darwin dari pihak ayah dan Josiah Wedgwood dari pihak ibunya. Keduanya berasal dari keluarga Inggris terkemuka, keluarga Darwin — Wedgwood yang mendukung gereja Unitarian. Ibunya meninggal dunia ketika Charles masih berusia delapan tahun. Ketika pada tahun berikutnya ia bersekolah di Sekolah Shrewsbury yang tidak begitu jauh, ia tinggal di asrama sekolah itu.
Berkat kekayaan orang tuanya, Darwin menikmati kenyamanan dan mempunyai akses untuk mengenyam fasilitas-fasilitas pendidikan yang bagus. Namun demikian, ayahnya kuatir akan masa depan Darwin, karena ia hanya bersenang-senang dengan berburu, main-main dengan anjing dan menangkap tikus. Ayahnya khawatir bahwa Darwin akan membawa malu keluarga. Walaupun Darwin sudah sejak dini tertarik biologi, untuk menyenangkan ayahnya, ia mengambil studi kedokteran.
Pada 1825, setelah melewati musim panas sebagai seorang dokter magang, menolong ayahnya merawat orang-orang miskin di Shropshire, Darwin melanjutkan ke Universitas Edinburgh untuk belajar kedokteran. Namun ia sangat membenci kebrutalan praktik bedah sehingga ia meninggalkan studinya. Ia belajar bagaimana mengawetkan binatang dari John Edmonstone, seorang budak kulit hitam yang telah dibebaskan, yang menceritakan kepadanya kisah-kisah menarik mengenai hutan tropik di Amerika Selatan. Pada tahun keduanya, Darwin menjadi aktif dalam perhimpunan mahasiswa untuk para naturalis. Ia menjadi murid yang giat dari Robert Edmund Grant. Grant adalah orang yang merintis pengemangan teori-teori Jean-Baptiste Lamarck dan teori kakek Charles, Erasmus, mengenai evolusi dengan meneliti karakteristik. Darwin ikut serta dalam penelitian Grant mengenai siklus hidup binatang laut di pantai Firth of Forth yang menemukan bukti untuk homologi, teori radikal bahwa semua binatang mempunyai organ yang serupa dan hanya berbeda-beda dalam kompleksitasnya. Pada Maret 1827, Darwin memberikan presentasi kepada Perhimpunan Plinian tentang penemuannya sendiri bahwa spora-spora hitam yang seringkali ditemukan pada kulit tiram adalah telur-telur sejenis lintah (skate leech). Ia juga mengikuti kuliah Robert Jameson mengenai sejarah alam, dan belajar tentang geologi stratigrafik serta bagaimana mengklasifikasikan tanaman sementara memantu dengan pekerjaan mengembangkan koleksi yang luas dari Museum Universitas Edinburgh.

Semasa hidupnya dan setelah kematiannya, Charles Darwin terkenal secara internasional sebagai ilmuwan berpengaruh yang meneliti topik-topik kontroversial.

Pada 1827, ayahnya yang tidak gembira karena anak tidak berminat untuk menjadi dokter, diam-diam mendaftarkannya dalam sebuah program Bachelor of Arts di Christ's College, Universitas Cambridge, untuk menyiapkannya menjadi pendeta. Ini adalah sebuah pilihan yang masuk akal saat itu ketika para pendeta Anglikan memperoleh penghasilan yang lumayan, dan kebanyakan dari kaum naturalis di Inggris saat itu adalah pendeta yang menganggap bagian dari tugas mereka adalah "menjelajahi keajaiban-keajaiban ciptaan Tuhan". Di Cambridge, Darwin lebih suka menunggang kuda dan menembak daripada belajar. Bersama-sama sepupunya, William Darwin Fox, ia tenggelam dalam kegemaran saat itu untuk berlomba mengumpulkan kumbang. Fox pun memperkenalkannya kepada Pendeta John Stevens Henslow, profesor botani, untuk mendapatkan nasihat ahli tentang kumbang. Kemudian Darwin ikut dalam kelas sejarah alam Henslow, menjadi murid kesayangannya, dan kemudian dikenal sebagai "orang yang berjalan bersama Henslow". Ketika ujian tiba, Darwin memusatkan perhatiannya lebih pada studinya dan mendapatkan kelas tambahan khusus dari Henslow dalam mata pelajaran matematika dan teologi. Darwin khususnya sangat tertarik akan tulisan-tulisan William Paley, termasuk argumen tentang rancangan ilahi dalam alam. Dalam ujian-ujian akhirnya pada Januari 1831, ia berhasil dengan baik dalam teologi dan karena ia belajar keras dalam studi klasik, matematika dan fisika, ia muncul pada peringkat 10 dari 178 mahasiswa yang lulus.
Tuntutan residensi mewajibkan Darwin tinggal di Cambridge hingga Juni. Mengikuti teladan dan nasihat Henslow, ia tidak tergesa-gesa untuk menjadi pendeta. Ia diilhami oleh tulisan Alexander von Humboldt, Personal Narrative, dan karena itu ia berencana mengunjungi Kepulauan Madeira untuk mempelajari sejarah alam di daerah tropik dengan sejumlah teman sekelasnya setelah lulus. Untuk mempersiapkan diri, Darwin mengambil kelas geologi dari Pendeta Adam Sedgwick, seorang penganjur kuat dari rancangan ilahi, dan pada musim panas pergi bersamanya untuk membantu dalam memetakan lapisan (strata) di Wales. Darwin sedang melakukan penelitian stratanya sendiri ketika rencananya untuk pergi ke Madeira dibatalkan oleh pesan bahwa rekan yang akan pergi bersamanya telah meninggal dunia, namun ketika ia pulang ke rumah ia menerima surat yang lain. Henslow telah memberikan rekomendasi untuk Darwin untuk posisi yang tidak dibayar untuk menjadi pendamping bagi Robert FitzRoy, kapten HMS Beagle, dalam sebuah ekspedisi dua tahun untuk menjelajahi garis pantai Amerika Selatan. Hal ini akan memberikan Darwin kesempatan yang berharga untuk mengembangkan kariernya sebagai seorang naturalis. Ayahnya menentang perjalanan itu, menganggapnya sebagai pemborosan waktu, namun ia terbujuk oleh Josiah Wedgwood II hingga menyetujui partisipasi anaknya. Perjalanan ini menjadi ekspedisi lima tahun yang menyebabkan perubahan-perubahan dramatis dalam banyak bidang ilmu pengetahuan.