Karol Robert Darwin przyszedł na świat 12 lutego 1809 roku w Shrewsbury. Wychowały go trzy starsze siostry w zastępstwie matki Zuzanny, która zmarła, gdy Karol miał osiem lat. W latach 1818–1825 młody Karol uczył się najpierw w szkole prywatnej, a potem w 1825 r. razem z bratem rozpoczął naukę w szkole medycznej w Edynburgu.
Zgodnie z życzeniem ojca, Roberta Waringa Darwina, dobrze sytuowanego medyka, miał zostać duchownym lub lekarzem. Realia ówczesnego lecznictwa (brak środków znieczulających) ostatecznie zniechęciły młodego Darwina i w 1827 r. zrezygnował ze studiowania medycyny. Krótki okres edynburski był jednak dla Darwina inspiracją dla późniejszych zainteresowań. Szczególnie cenił sobie zajęcia z chemii pod kierunkiem Thomasa Hope’a i z historii naturalnej prowadzone przez Roberta Jamesona. Tam także zetknął się z wyzwolonym niewolnikiem z Indii Zachodnich Johnem Edmonstonem, który nauczył Karola sztuki wypychania ptaków.