由于着迷飞行现象，达·芬奇作了鸟类飞行的详细研究，同时策划了数部飞行机器，包括了直升机设计图(但因机体本身亦会旋转故无法作用)以及轻型滑翔翼。西元1496年1月3日，他曾测试了一部自制飞行机器但失败。
1502年，达·芬奇曾为伊斯坦布尔鄂图曼苏丹巴耶塞特二世的土木工程专案制作单一跨距达240米(720英尺)的桥梁草图。这个设计打算让桥梁跨越博斯普鲁斯海峡口的金角湾。但因巴耶塞特二世认为无法建设而未实作。2001年，奠基于达·芬奇的设计，威卜琼·山得达·芬奇专案让此桥以小桥的形式在挪威付诸实行。而在西元2006年5月17日，土耳其政府决定在实地建设达芬奇桥跨越金角湾让该桥终究成形。
1490年，达·芬奇将无段连续自动变速箱概念绘制成草图。今日，达·芬奇的变速概念以现代化形式实际使用在汽车上。此外，无段连续自动变速箱也已经在拖拉机、雪上摩托车、速克达机车等使用许多年。
由于达·芬奇曾任军事工程师，笔记中也包含了数种军事机械的设计：机关枪、人力或以马拉动的武装坦克车、子母弹、军用降落伞、含呼吸软管以猪皮制成的潜水装等等。不过，后来他却认为战争是人类最糟的活动。其他的发明包括了潜水艇、被诠译为第一个机械计算机的齿轮装置，以及被误解为发条车的第一部可程序化行动机器人。此外，达·芬奇在梵谛冈那些年里，曾计划应用太阳能而使用凹面镜来煮水。尽管达·芬奇大多数的发明在他的生平并未实现，但在IBM赞助下，实作了许多模型在昂布瓦斯的克洛斯宅达·芬奇博物馆展示。
当他在作坊学艺时，就表现出非凡的绘画天才。约1470年他在协助韦罗基奥绘制《基督受洗》时，虽然只画了一位跪在基督身旁的天使，但其神态、表情和柔和的色调，已明显地超过了韦罗基奥。据传，韦罗基奥为此不再作画。现存他最早的作品《受胎告知》是达·芬奇在没有老师的指导下，独立完成的一件作品。除了有一点自由构思外，这幅画的场景都是达·芬奇遵循一般的透视画法来构思的。
后来位于欧利维特峰的圣巴托罗梅欧修道院还订购了这幅作品，稍后创作的《吉内薇拉·班琪》，一反15世纪艺术追求线条分明的传统，以逆光夕照的色调渲染他所倡导的透视效果。1481年创作的《博士来拜》（又译《三王来拜》）是标志其艺术风格达到成熟期的作品。
该画虽由于他动身去米兰而没有完成，但从原稿上可看出其构图和形象塑造所显示的艺术创新，大大超越了他的老师和同辈：由圣母婴孩和三位博士所形成的三角形稳定构图，按精确的透视法画的建筑遗迹和奔腾飞跃的马群等背景，说明他已不再从叙事的角度简单地罗列有关人物，而是对传统的题材进行彻底的改造。他所采用的色调幽暗的画法，使人物形象从阴影中突出，突破了传统绘画明晰透露的特点，预示着文艺复兴的到来。1482年达·芬奇来到米兰，应圣弗朗切斯教堂的邀请绘制祭坛画《岩间圣母》。这幅画现藏于卢浮宫。《最后的晚餐》是他在这一时期的创作中最负盛名之作。这幅表现基督被捕前和门徒最后会餐诀别场面的湿壁画，绘制在米兰格雷契修道院饭厅的墙壁上。它巧妙的构图和独具匠心的布局，使画面上的厅堂与生活中的饭厅建筑结构紧密联结在一起，使观者感觉画中的情景似乎就发生在眼前。
在人物布局上，一反平列于饭桌的形式，将基督独立于画面中央，其他门徒通过各自不同的表情和手势，分别表现出惊恐、愤怒、怀疑、剖白和慌张的情绪。这种典型性格的描绘，突出了绘画的主题，它与构图的统一效果互为补充，堪称美术史上最完美的典范之作。
15世纪末期，为米兰公爵卢多维科·斯福尔扎的情妇切奇利娅·加莱拉尼创作了《抱银鼠的女子》。《抱银鼠的女子》是达·芬奇杰出的肖像画作品，体现了深厚的写实功力。这幅精美的肖像画，画面人物气质高贵沉静，女郎怀抱的白貂毛色光润，栩栩如生，充满朝气，充分体现了达·芬奇高超的绘画技巧，而形态逼真的白貂使画面生动了起来。这幅肖像画最引人注目的地方是明暗的处理，画家运用光线和阴影衬托出切奇莉亚优雅的头颅和柔美的脸庞。
形神兼备，使得这幅肖像画得到世人的推崇。
1500年达·芬奇回到佛罗伦萨，随着共和国制度的恢复，文化气氛一度活跃，画坛上也先后出现了米开朗基罗、拉斐尔等杰出人物。达·芬奇开始为兰则塔大教堂的主祭坛创作《圣母子与圣安娜、圣约翰》，他向市民展出的一幅经过精心构思的《圣母子与圣安娜、圣约翰》素描草图，立即引起轰动，其构图原理和画法对艺术界有极大影响，米开朗基罗和拉斐尔等人也从中得到启发。
1503年他一面着手为市政厅绘制壁画《安吉里之战》，一面创作《蒙娜丽莎》和《圣母子与圣安娜、圣约翰》（后称为《圣母子与圣安娜》），这两幅画和《施洗者圣约翰》一起成为他极为珍爱的作品，始终带在身边，晚年移居法国也不离左右，最后遗存巴黎。1499年为躲避战乱，达·芬奇在曼图亚和威尼斯等地旅游并进行一些科学研究。
达·芬奇晚年被法兰西国王弗朗索瓦一世邀入法国，弗朗索瓦一世给予了他至高的接待，将其安置于昂布瓦斯城堡中的克鲁克斯庄园，并时不时地去请教。1519年5月2日，年事已高的达·芬奇因病逝世了，据说他是在赶来的弗朗索瓦一世怀中咽下了最后一口气。
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