Po przeniesieniu się do University of Sydney Ch. Birch zajął się ekologią szkodników drzew owocowych uprawianych w Queensland. Badał m.in. zasięg małych muchówek, należących do rodzaju Drosophila (np. Drosophila willistoni). Próbując wyjaśnić, jakie przystosowania tych owadów umożliwiają im szybkie rozprzestrzenianie się, zainteresował się ekologią ewolucyjną i genetyką. W tym okresie pracy naukowej ważnym czynnikiem była przyjaźń ze specjalistą w tych dziedzinach, Theodosiusem Dobzhanskym, zainteresowanym również zagadnieniami populacjologii. Wielkim uznaniem Ch. Birch darzył też innego genetyka, Sewalla Wrighta.
Nauka i religia Charles Birch był w młodości fundamentalistą religijnym (należał do stowarzyszenia Student Christian Movement, respektującego sztywne zasady ewangeliczne anglikańskiego Melbourne), jednak z czasem dostrzegł alternatywy dla tak rozumianego chrześcijaństwa. Stał się bardziej liberalny, co bywało uważane za odejście od chrześcijaństwa. Wyrażał opinię, że naukowcy mają tendencję do skupiania się na wąskim obszarze własnej specjalności, podczas gdy prawdziwa nauka powinna obejmować zakres szeroki, w tym wiele pojęć z zakresu filozofii, etyki i religii, które współcześni naukowcy często odrzucają jako nieobiektywne. Był pod bardzo silnym wpływem filozoficznych koncepcji Alfreda N.