达·芬奇掌握了人体解剖知识，从解剖学入手，研究了人体各部分的构造。他最先采用蜡来表现人脑的内部结构，也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人。英国华威大学临床解剖学教授彼得·亚伯拉罕斯认为，达·芬奇的人体解剖素描，水准至少领先于他所处时代 300 年。达芬奇 500 年前利用切片技术和对截取横截面来体现人体复杂结构的方法，与今天医学上的 CT 和核磁共振成像（MRI ）技术非常接近。
达·芬奇还设计了一套方法以做心脏修复手术。为了认识人类自身，达·芬奇亲自解剖了几十具尸体，对人体骨骼、肌肉、关节以及内脏器官进行了精确了解和绘制。令人惊讶的是，当年达·芬奇连人体循环系统工作机理的概念都没有。更为神奇的是，2005 年一名英国外科医生还利用达·芬奇设计的方法做心脏修复手术。不过，解剖学的研究在当时并没有给达·芬奇带来声誉，而是遭到了无数的诽谤。
此外他发现了血液的功能，认为血液对人体起着新陈代谢的作用，并认为血液是不断循环的。他说血液不断的改造全身，把养料带到身体需要的各个部分，再把体内的废物带走。达·芬奇研究过心脏，他发现心脏有四个腔，并画出了心脏瓣膜。他认为老年人死因之一是动脉硬化，而产生动脉硬化的原因是缺乏运动。后来，英国科学家哈维证实和发展了达·芬奇这些生理解剖学的成果。
可以说达·芬奇是局部解剖图宗师，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。
考古
化石和生物遗骸的研究也是达·芬奇的兴趣之一。学术界普遍认为，达·芬奇是“化石研究的先驱”。
建筑
在建筑方面，达·芬奇也表现出了卓越的才华。他设计过桥梁、教堂、城市街道和城市建筑。在城市街道设计中，他将车马道和人行道分开。设计城市建筑时，具体规定了房屋的高度和街道的宽度。米兰的护城河就是他设计和监工建造而成的。1502 年，达芬奇离开桑蒂西马·阿努佳塔后，就曾在声名狼藉的罗马教皇亚历山大六世之子凯撒·波吉亚手下担任过军事建筑师及工程师。
2019 年，美国麻省理工学院师生采用3D打印技术，重现达·芬奇在 1502 年设计的桥梁方案，用微缩模型证明其具备可行性。按照设计图，桥梁长达 240 米，是当时世界上最长的桥梁。达·芬奇当时是应苏丹巴耶兹二世之请设计这座桥，可惜由于桥梁造型奇特，苏丹巴耶兹二世无法接受，使得这一设计草图被永久埋没。
水利
达·芬奇对水利学的研究比意大利的学者克斯铁列早一个世纪。为了排除泥沙，他作了疏通亚诺河的施工计划。他设计并亲自主持修建了米兰至帕维亚的运河灌溉工程。由他经手建造的一些水库、水闸、拦水坝便利了农田灌溉，推动了农业生产的发展。有些水利设施至今仍在发挥作用。
地质
达·芬奇根据高山上有海中动物化石的事实推断出地壳有过变动，指出地球上洪水的痕迹是海陆变迁的证明，这个思想与 300 年后赫顿在地质学方面的发现颇为近似。并且在麦哲伦环球航行之前，他就计算出地球的直径约为 12000 千米。
其他
● 1502 年，达·芬奇曾为奥斯曼帝国苏丹巴耶塞特二世的土木工程专案制作单一跨距达240 米的桥梁草图。但因巴耶塞特二世认为无法建设而未实作。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。1496 年 1 月 3 日，他曾测试了一部自制飞行机器但失败了。
● 达·芬奇所绘的菱方八面体，1509 年出现在卢卡·帕西欧里（Luca Pacioli）的《神圣比例》中。
● 在达·芬奇所处的时代，人们越来越重视文件的保密工作。因此，他设计了达·芬奇密码筒。
● 此外，乐器、闹钟、自行车、照相机、温度计、烤肉机、纺织机、起重机、挖掘机等也是达·芬奇的发明设计。
思想
在达·芬奇看来，人类对艺术与科学的认识过程同样“要以感性经验为基础，而且是以最高贵的感觉——视觉为基础”，“我们的一切知识来源于知觉”，“绘画的确是一门科学，并且是自然的合法的女儿”。由此可见，达·芬奇对美的认识不仅建立在朴素唯物主义认识论的基础之上，且带有先于笛卡尔“经验主义”认识论的某些性状，而这种美学思维，也使他在理性与经验中间作了准确的定位。
达·芬奇认为，“科学是将领，实践是士兵”，“画家的心应当像什么——画家的心应当像一面镜子，将自己转化为对象的颜色，并如实地摄进摆在面前所有物体的形象”。这表明他对艺术创作的预备阶段持经验主义认识论的观点。但同时，达·芬奇又主张“画家与自然竞赛，并胜过自然”。这表明他已经认识到艺术理想化与典型化的问题。
此外，达·芬奇也反对抛弃理性而专注经验的艺术实践，“热衷于脱离科学而专搞实践的人，正如一个水手，登上了一条没有罗盘、没有舵的船，永远拿不准船的方向。实践必须永远建筑在坚实的理论之上。”这句话正是达·芬奇对理性与经验关系的最好注脚。
