中学时代，当医生的父亲对达尔文的表现日益不满。有一天，父亲严厉地对他说：“你关心的只是打猎、玩狗、捉老鼠，这样下去你会使自己以及我们全家都蒙受耻辱的。”中学没毕业，父亲就叫达尔文退了学。1825年10月，父亲把达尔文送到了哥哥伊拉司马斯就读的苏格兰的爱丁堡大学学习。
父亲希望达尔文在大学医学系通过系统的学习，走上子承父业的道路，将来成为一名优秀的医生。达尔文在还没进爱丁堡大学以前的夏天，就已经在故乡护理了许多穷苦的病人，主要是儿童和妇女。他在了解病人的病史时，总是尽可能详细地记下每一个病人的症状，再把它读给父亲听。尽自己的所知回答父亲提出的一些问题。然后按照父亲开出的药方去配药。病人多时，他甚至一次同时护理了十二名病人。达尔文的这些表现，让他父亲感到达尔文将来一定会成为一名不错的医生。
达尔文和哥哥到爱丁堡后，租住在洛西安街马卡乌夫人的寓所。
爱丁堡大学里的教师上课差不多都是照本宣科。这样的教学方式使达尔文认为，教师还不如直接让学生阅读课本。枯燥乏味的讲授，简直使人难以忍受。惟一使他感兴趣的，是霍普的化学课。由于讲授人体解剖学的教师讲得单调乏味，使达尔文对这门课程十分厌恶，对自己动手解剖也就不上心了。后来当达尔文在科学研究中需要用上这门本领时，他才感到后悔。
去医院实习，是学生们经常的课程。有两次，在爱丁堡医院手术中实习时，达尔文亲眼看到了糟糕的手术场面：鲜血淋漓的病人，尖厉、痛苦的嚎叫；满头大汗的医生，繁忙、紧张的操作。站在旁边实习的达尔文实在难受得呆不住了，急忙离开了手术室。这时，离病人能利用哥罗仿麻醉剂减轻痛苦的日子还早得很。那惨痛的情景，多少年后还一直在达尔文的记忆中浮现。
由于课堂学习的乏味，达尔文的目光移向了学校的图书馆。在这知识的海洋里，达尔文贪婪地吮吸着他感兴趣的各种知识，他跑图书馆借书的次数是同学中最多的。一年过去了，达尔文的哥哥从爱丁堡大学毕业了。和相伴相依的哥哥分别后，十七岁的达尔文就过着无人管束的生活了。他同几位爱好自然科学的青年交上了朋友。在当时的爱丁堡大学校园里，存在着各种学派和学术团体。很多青年学者活跃在各种学术讨论中。
在达尔文的朋友中，有一个是魏尔纳派地质学家，叫恩斯瓦斯。他能说会道，对很多问题都懂得一些，但他学识肤浅。另一位朋友医学博士科尔斯屈里姆则与恩斯瓦斯性格完全不同。他笃信宗教，对人彬彬有礼，十分善良，一本正经。他对海洋生物学很有研究，后来还发表过几篇优秀的动物学论文。
达尔文还有一位比他大十多岁的朋友葛兰特，他也是医学博士。这个人对人态度冷淡而且刻板，不是相知，定会感到很难打交道。但是在这种外表下，却包含着火一样的热情。有一次葛兰特在同达尔文一起散步时，忽然热情奔放，竭力赞扬拉马克及其进化观点。达尔文听了，十分惊讶。这倒不在于葛兰特所赞扬的进化观点，因为达尔文早就读过类似观点的、他祖父着的《生物规律学》，以及其他人的进化观点和对进化观点的赞扬，而是葛兰特谈起这些，那眉飞色舞的神态与平时的刻板冷淡简直判若两人。
达尔文还有一些渔民朋友，他经常和他们一起去捉牡蛎。采捕机从河底捕捉牡蛎的同时还捕捉了许多其他的动物，他对这些动物进行了研究。这一年他主要研究了某些软体动物的产卵情况和软体动物的幼虫，并简要了解了珊瑚虫和海鳃。根据他的笔记记载，他同另一位同学科利茨特里姆曾经一起观察过一条鱼的产卵情况。在这个时期，达尔文还向一个黑人学习制作鸟类标本，这个人曾同鸟类学家沃捷尔道一起工作过。这些都加深了达尔文对鸟类研究的兴趣。
达尔文在同学中又结交了许多像他一样热爱自然科学的新朋友。他积极参加普利尼学生自然史学会的工作，拉近了他与这些朋友们的距离。他几乎每场必到地参加该学会的会议，不止一次地在辩论时发言，其中有一次他就自然分类问题和种类特征问题发了言。达尔文于1827年3月27日在普利尼学会上做了有关观察海洋生物的两项报告：首先，他在一种小群体苔藓动物的卵上发现有纤毛。根据这一发现，证明苔藓动物的“卵子”原来是一个周围布满了许多颤动纤毛的幼虫。其次，他发现，一种卵胶囊或是水蛭所产卵的卵袋被当时的人们当做藻类植物发育阶段的黑色小球状体了。在下一次会议上达尔文展示了一个带有卵袋、卵子和幼虫的水蛭标本。他在笔记中又详尽地叙述了这些发现。
葛兰特还带着达尔文参加魏尔纳学会的一些会议。达尔文在这些会议上听到了美国鸟类学家奥久邦关于北美鸟类习性的报告，学到了很多知识。达尔文还经常参加其他一些学会，如“皇家医学会”和“爱丁堡皇家学会”。达尔文在1826年和1827年过了两个“快乐”的暑假。这期间，他经常和朋友一起游玩，有时一天要走五十公里的路，虽然有点累，但对达尔文后来的旅行探索是一个很好的锻炼。达尔文最喜欢的还是打猎，他经常到舅舅乔赛亚·韦季武德的庄园或到奥温先生的武德高兹去打猎。有时达尔文也会去梅尔的“乔斯舅舅”那里和亲戚朋友们一起聚会。他十分喜欢“乔斯舅舅”那清晰的头脑和坦率的性格。
尽管大学的必修课程对达尔文来说仍然是呆板枯燥的，但他那早在童年时代就表现出来的对自然科学的兴趣却得到了进一步的培养和发展。他结交了一些年轻的自然科学家，研究并考察了分布在海岸边的动物群，学习并掌握了一些研究自然界的新方法，参加了由大学生们组成的普利尼学会，并且访问了其他一些自然史学会。他的校外兴趣——打猎以及在游玩和旅行中所得到的锻炼，为他成为一个野外博物学家打下了基础。
达尔文对医学根本不感兴趣，既不上课，又不考试，也不实习，父亲再次对达尔文失望了。无奈之际，他同儿子进行了一场严肃的谈话，建议他去学习做一个牧师。这时，达尔文已是一个虔诚的基督教徒，甚至也喜欢将来做一名乡村牧师。但他还是慎重地考虑了一段时间，当确认他能够把所有的教义都当做真理时，他同意了父亲的建议，并开始阅读一些神学方面的书籍。
