在科学上，达文西是一个钜细靡遗的观察家，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。
达文西在师从韦罗基奥时，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。
当达文西成为成功的艺术家时，得到於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（第一个义大利本土医院）作业。
1510─1511年，则与托尔医生共同工作。30年内，达文西共解剖了30具不同性别年龄的人体。
当与托尔医生共同工作时，达文西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1680年（辞世161年）才以《绘画论》为名出版。除了人体外，达文西也解剖了牛、禽鸟、猴、熊、蛙以作为解剖结构比较。
达文西画了许多人体骨骼的图形，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。
达文西也能卓越地表现头骨的形态以及脑部不同的交叉截面图，如横断面、纵切面、正切面。他画了许多图，内容包括肺脏、肠系膜、泌尿道..。
他是第一个画出子宫中胎儿（他希望了解「生育奇蹟」）同时也是第一个画出腹腔中阑尾的人。
此外达文西经常描绘颈部和肩膀的肌肉和肌腱。
2005年，达文西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，不仅在研究人体解剖方面表现杰出，而且在涉猎其他动物解剖时一样表现出色。
达文西不只关心身体结构，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来突显生理功能的意义。达文西还可以同时一手作画一手写字。
基於人体解剖研究也使得达文西设计出史上第一个机器人。这个被称作达文西机器人的设计可能是在1495年完成，这一草稿直到1950年代才被发现。目前不知这个设计是否要作成实体。
一般均认为达文西对人体构造的了解可以说对他在绘画方面有相当大助益。
由於着迷飞行现象，达文西做了鸟类飞行的详细研究，同时策划了数部飞行机器，包括了以4个人力运作的直昇机（但因机体本身亦会旋转故无法作用）以