在科学上，达·芬奇是一个巨细靡遗的观察家，能以极精细的描述手法表示一个现象。但却不是透过理论与实验来验证。因为缺乏拉丁文与数学的正式教育，同时期的学者大多未注意到在科学领域中的达·芬奇。而达·芬奇则靠自学懂得拉丁文。也曾有人说达·芬奇打算发表一系列包含各种主题的论文，但终未实现。
达·芬奇所绘的菱方八面体，1509年出现在卢卡·帕西欧里的《神圣比例》中。达·芬奇在师从韦罗基奥时开始认识人体解剖学。当时韦罗基奥坚持要所有门徒学习解剖学。当达·芬奇成为成功的艺术家时，得到于佛罗伦斯圣玛丽亚纽瓦医院解剖人体的许可。之后他在米兰马焦雷医院以及罗马圣灵医院；第一个意大利本土医院)作业。西元1510至1511年，则与托尔医生；1481年—1511年)共同工作。30年内，达·芬奇共解剖了30具不同性别年龄的人体。当与托尔医生共同工作时，达·芬奇准备出版解剖学理作品并制绘了超过200篇画作。
然而，他的书直到西元1680年(辞世161年)才以《绘画论》为名出版。除人体外，达·芬奇也解剖了牛、禽、猴、熊、蛙以作为解剖结构比较。达·芬奇画了许多人体骨髂的图形，同时他也第一个具体描绘脊骨双S型态的人。他也研究骨盆和骶骨的倾斜度以及强调骶骨不仅非单一形态，而且是5个椎骨组成。达·芬奇也能卓越的表现头骨的形态以及脑部不同的交叉截面图(横断面、纵切面、正切面)。
他画了许多图包括肺脏、肠系膜、泌尿道、生殖系统。他是第一个画出腹中胎儿(他希望了解“生育奇迹”)同时也是第一个画出腹腔中阑尾的人。此外达·芬奇经常描绘颈部和肩膀的肌肉和肌腱。西元2005年，达·芬奇的画作激发一位英国心脏外科医师领先发展一个修补受损心脏的新方法。
他可说是局部解剖图宗师，不仅研究人体解剖表现杰出，而且在涉猎其他动物解剖时一样表现出色。达·芬奇不只关心身体结构，也关心生理功能，这使得他变成解剖学家和生理学家。他积极寻找外观有明显生理缺陷的人作为模特儿以便画成滑稽的画作突显生理功能的意义。值得一提的是达芬奇可以同时一手作画一手写字。
基于人体解剖研究也使得达芬奇设计出史上第一个机器人。这个被称作达·芬奇机器人的设计可能是在西元1495年完成但直到西元1950年代才被发现。不知这个设计是否要作成实体。
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