科学
文艺复兴人文主义(Renaissance humanism)在科学与艺术之间并无相互排斥的极端现象。达·芬奇钻研科学、工程领域就像他的艺术作品般令人难忘与突出。手稿中约13,000页的笔记与绘画全是混合艺术与科学所组成的纪录。这些纪录是达·芬奇在欧陆行程中透过观察周遭并不断的创作而来。
左撇子的他终其一生均以镜像写字。对左手写作者来说，将羽毛笔由右向左拉过来写比由左向右推过去写容易，而且不会将刚写好的字弄糊。因此，他的日记都是镜像字。
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(rhombicuboctahedron)，1509年出现在卢卡·帕西欧里(Luca Pacioli)的《神圣比例》(Divina Proportione) 中。
达·芬奇在师从韦罗基奥(Andrea del Verrocchio)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(hospital Santa Maria Nuova)解剖人体的许可。之后他在米兰马焦雷医院(hospital Maggiore)以及罗马圣灵医院(hospital Santo Spirito；第一个意大利本土医院)作业。西元1510至1511年，则与托尔医生(doctor Marcantonio della Torre；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。除了人体外，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、性器官甚至性交。他是第一个画出子宫中胎儿(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(Leonardo's robot)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。
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(Golden Horn)。但因巴耶塞特二世认为无法建设而未实作。西元2001年，奠基于达·芬奇的设计，威卜琼·山得达·芬奇专案(Vebjørn Sand Da Vinci Project)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。
