El primer tomo de los Principios de Geología
De julio a octubre de 1829 Lyell se encerró en Kinnordy, logrando escribir casi todo el primer tomo de los Principios y el comienzo del segundo; el título es un claro homenaje a la ciencia de Newton. Estudia alemán para poder leer a los geólogos germanos en su lengua, tal como hacía con los franceses e italianos. De regreso en Londres entrega el primer tomo a la imprenta, que tras una dilatada fase de reescritura y corrección de pruebas, sale a la venta en julio de 1830. Uno de los principales objetivos del libro era exponer las formas correctas de razonar en geología a partir de los datos empíricos conocidos. Los cuatro primeros capítulos dibujan un esquema del desarrollo histórico de las ideas geológicas, demoliendo las teorías diluvistas. Los cinco siguientes exponen las consecuencias de la uniformidad de las leyes geológicas en el desarrollo de la corteza terrestre. El resto de la obra consiste en la exposición de sus propias teorías, resultado de sus trabajos de campo.
Entre las características principales de los Principios encontramos: a) la defensa del uniformismo de los agentes geológicos a través del tiempo inmemorial; b) la compatibilidad del uniformismo con los cambios climáticos y con la extinción y generación de sucesivas floras y faunas; c) la separación entre causas acuáticas y causas ígneas de los fenómenos geológicos; d) la distinción entre la actividad constructiva y la destructiva de los ríos, las mareas y las corrientes; e) la teoría de la formación de estuarios; f) la teoría sobre la disposición de los estratos en los deltas y la causa de la estratificación; g) la división de los agentes ígneos en terremotos y vulcanismo.
En junio de 1830 Lyell viajó a España para visitar la zona volcánica de Olot, que seguramente conocía a través del trabajo del geólogo escocés William James Maclure. Iba acompañado por Samuel Cooke, marino aficionado a la geología, que hablaba español. Tras obtener los salvoconductos en Barcelona llegaron a Olot en agosto, conectando con Francesc Bolòs, farmacéutico y naturalista estudioso del vulcanismo de la comarca. Durante dos semanas recorrieron juntos los conos y coladas de lava, estudiando su relación con los valles fluviales. Luego Lyell cruza la frontera y va investigando los Pirineos de este a oeste, hasta Bayona, pues tenía interés en comprobar la teoría de Élie de Beaumont sobre el levantamiento de las cordilleras, publicada recientemente; el geólogo francés situaba la elevación de la cordillera pirenaica en el Cretácico, considerándolo un proceso de corta duración y, por tanto, de corte catastrófico, lo que se oponía al uniformismo.
A finales de septiembre regresó a París para entrevistarse con Constant Prévost, que se iba encargar de la traducción de los Principios al francés. Contrató a Gérard Deshayes, el conquiliólogo más reputado de Francia, para estudiar durante dos meses esa disciplina, aprovechando además para dibujar parte de su colección de conchas del Terciario. Identificaron las especies características de cada período tomando como base las cuencas de París y Londres para el Eoceno, las regiones de Burdeos y Turín para el Mioceno, y la región subapenina y Sicilia para el Plioceno. Llegaron a la conclusión, a partir de las conchas fósiles, de que los estratos terciarios de diferentes regiones no eran en absoluto contemporáneos. Lyell se decidió a iniciar su propia colección con las que había recolectado en sus viajes, más 800 ejemplares que le compró a Deshayes.