レオナルド・ダ・ヴィンチは、土木工学、化学、地質学、幾何学、流体力学、数学、機械工学、光学、物理学、火工学、動物学などの科学分野でも才能を発揮している。

彼の科学的研究の全貌が明らかになったのは、ここ150年のことであるが、生前からその技術力と発明の腕前が評価されていた。

しかし、レオナルドが発明したアイデアはヴェネツィアを侵略から守るための可動式の堤防など、その設計の多くはコストがかかりすぎたり、実用的でなかった。

ちょっとしたアイデアの中には、誰にも知られずに製造業の世界に流用されたものもある。レオナルドは、パラシュート、ヘリコプター、装甲戦闘車、集光型太陽光発電の利用、電卓、プレートテクトニクスの初歩的な理論、二重船体などを概念的に発明し、時代を大きく先導するアイデアを生み出している。

実際のところレオナルドは、解剖学、天文学、土木工学、光学、水の研究（流体力学）などの分野で当時の知識を大きく前進させている。

レオナルドが描いた『ヴィトルヴィアンの人』は、人体のプロポーションを研究し、芸術と科学を結びつけた作品で、ルネサンス期のヒューマニズムにおける大宇宙と小宇宙の概念を象徴するものとなっている。

ルネサンス期は芸術と科学は相反するものではなく、一方が他方に情報を与えるものであると考えられていた。

レオナルドはおもに芸術家としての訓練を受けていたが、絵画芸術に対する科学的なアプローチや、見たものを表現する能力と科学的知見を組み合わせた独自のスタイルの開発により、多数の傑作を生み出した。

なお。レオナルドはラテン語や数学の正式な教育を受けておらず、また大学にも通っていなかった。そのため、彼の科学的研究は他の学者からほとんど無視されていた。

レオナルドの科学的アプローチは、熱心な観察と詳細な記録であり、調査の道具はほとんど目だけだった。

日記には、彼の調査過程が記されている。

また自然や現象を、ナイフや測定器を使って具体的に、数式や数字を使って知的にどんどん小さく分割していき、そこから創造の秘密を研究していた。レオナルドは、粒子が小さければ小さいほど、謎の解決に近づくことができると考えていた。

科学者としてのレオナルドを徹底的に分析したフリッジョフ・カプラは、レオナルドはガリレオやニュートン、そして彼に続く他の科学者とは根本的に異なるタイプの科学者であり、彼の理論化と仮説は芸術、特に絵画を統合するものであったと主張している。

カプラは、レオナルドが独自の統合的・全体的な科学観を持っていたことで、現代のシステム理論や複雑性理論の先駆者になったと考えている。

レオナルドは、友人であるルカ・パチョリが書いた芸術における数学的プロポーションに関する本『De divina proportione』（1509年出版）の挿絵を担当した。

レオナルドは、ほぼ毎日書いていた日記のほかに、観察、コメント、計画などを記した別のメモやシートを残している。彼は左手で文字や絵を書いていたため、ほとんどの文章が鏡文字で書かれていて、読むのが難しい。

また、レオナルドは、自身の科学的観察と機械的発明についての大著を準備していた。この論文はいくつかのセクション、つまり「本」として分割して執筆されることになっており、レオナルドはその順序についていくつかの指示を残している。彼のノートにはその多くの部分が掲載されている。

レオナルドの死後、その著作はおもに弟子であり相続人であるフランチェスコ・メルツィに託されたが、これは明らかに生前からレオナルドの科学的な業績を出版することを意図したものであった。

メルツィは1542年より前に、レオナルドの18冊の「本」（そのうち3分の2は行方不明）から『絵画論』のための論文を集めていた。

これらのページでは、一般的な科学的テーマを扱っているが、特に芸術作品の制作に関わるものを扱っている。

しかし、出版はメルツィの存命中には行われず、結局、著作物はさまざまな形で製本され、散逸してしまった。彼の作品の一部は、彼の死後165年経ってから『絵画論』として出版された。

芸術に関連するものであるが、これは実験や理論の検証を根拠とする科学ではない。詳細な観察、特に自然界の観察が中心で、葉っぱなどのさまざまな自然物質に対する光の視覚的効果に関することも書かれている。

レオナルドは光について次のように説明している。

「不透明な物体を照らす光には4つの種類があります。大気のような拡散光、太陽のような直射光、3つ目は反射光、そして4つ目は、リネンや紙などの「半透明」な物体を通過する光です。」

15世紀に活躍したアーティストにとって、光の性質を研究することは必要不可欠だった。表面に降り注ぐ光を効果的に描くことで、モデリング、つまり2次元の媒体に3次元の外観を表現することができた。

また、レオナルドの師匠であるヴェロッキオのように、背景の風景を描く際には、前景に比べてコントラストの低い色調や明るさを抑えた色を使うことで、空間や距離感を表現できることをよく理解していた。

立体に対する光の効果は、ピエロ・デラ・フランチェスカ以外の芸術家が実際に正確な科学的知識を持っておらず、試行錯誤の末に実現した。

レオナルドが絵を描き始めた当時、人物が光と影のコントラストを極端につけて描かれることは珍しかった。

特に顔は、顔の特徴や輪郭がはっきりと見えるように、淡々と影がつけられていたが、レオナルドはこの慣習を破った。

一般に『白貂を抱く貴婦人』と呼ばれる作品（1483年頃）では、人物を画面に対して斜めに配置し、顔が肩に近い部分とほぼ平行になるぐらい頭を動かしている。

後頭部と肩の先が深く影がかかっている。頭部の卵形の固体の周りや胸と手に光が拡散されているので、人物に対する光の距離と位置が計算できる。

『岩窟の聖母』や『モナリザ』などの絵画でのレオナルドの光の扱いは、芸術家が光を認識し、絵画に利用する方法を永遠に変えるきっかけになった。

レオナルドが残した科学的遺産の中で、最も即効性があり、顕著な効果をもたらしたのがこれらの作品だろう。

レオナルドは人体に関して次のように書いている。

「真の完璧な知識を得るために... 私は10体以上の人間の体を解剖し、他のすべての構成要素を破壊し、これらの静脈を取り囲んでいる肉の非常に微細な粒子を取り除いた・・・そして、1つの体ではそれほど長く保たないので、私が終わりを迎え完全な知識を得るまで、段階的に複数の身体の解剖を進める必要があり、私はこの作業を2回繰り返し、その違いを学んだ。」

レオナルドは、アンドレア・デル・ヴェロッキオに弟子入りしてから、人体の地形的な解剖学の正式な研究を始めた。

学生時代には、人体を生きたまま描くこと、筋肉や腱、目に見える皮下の構造を記憶すること、骨格や筋肉の構造のさまざまな部分の仕組みに慣れることなどを教わったと思われる。

人体の一部の石膏模型を用意して、学生が勉強したり絵を描いたりできるようにしておくことは、ワークショップでは一般的なことだった。

もし、レオナルドが師匠のヴェロッキオとの共同制作で有名な『キリストの洗礼』の中で、キリストの胴体と腕を描いたと考えられているのであれば、同じ絵の中でキリストの腕と洗礼者ヨハネの腕を比較してみるとわかるように、彼の地形解剖学の理解は早くから師匠を超えていたことになる。

1490年代には、学生に筋肉や筋の描き方の実演したことを書いている。

「筋肉の起点を確認するには、筋肉の起点となる筋を引っ張って、その筋肉が動くのを見なければならないし、その筋が骨の靭帯に付着している場所も確認しなければならないことを覚えておいてほしい。」

この分野での彼の継続的な研究は、解剖学の特定の側面を体系的に扱う数多くのページのメモを占めていた。このノートは出版を目的としていたようだが、彼の死後、弟子のメルツィに託された。

身体の研究と並行して、さまざまな感情を表す顔のドローイングや、先天的または病気で顔が変形している人のドローイングも多く描いている。

芸術家として成功したレオナルドは、フィレンツェのサンタ・マリア・ヌオーヴァ病院で人間の死体を解剖する許可を得る。

その後、ミラノのマッジョーレ病院、ローマのサント・スピリト病院（イタリア本土初の病院）でも解剖を行う。1510年から1511年にかけては、医師のマルカントニオ・デッラ・トッレと共同研究を行った。

「私は、筋肉が衰え、薄い膜のような状態になっている病気のために体が縮んで人の皮膚を剥がしたことがあります。筋が筋肉に統合される代わりに、広い膜になってしまい、骨が皮膚に覆われているところでは、本来の大きさをほとんど超えていませんでした。」

レオナルドは30年間で、年齢の異なる男女の死体30体を解剖した。マルカントニオと解剖学の理論書を出版する準備をし、200枚以上のデッサンを描いた。しかし、彼の著書が出版されたのは死後161年目の1680年、『絵画論』というタイトルであった。