他是一位思想深邃，学识渊博、多才多艺的画家、天文学家、发明家、建筑工程师。他还擅长雕刻、音乐、发明、建筑，通晓数学、生理、物理、天文、地质等学科，既多才多艺，又勤奋多产，保存下来的手稿大约有6000页。他全部的科研成果尽数保存在他的手稿中，
爱因斯坦认为，
达·芬奇的科研成果如果在当时就发表的话，科技可以提前30-50年。
解剖
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。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。人体外，达·芬奇也解剖了牛、禽、猴、熊、蛙以作为解剖结构比较。
天文
达·芬奇对传统的“地球中心说”持否定的观点。他认为地球不是
太阳系的中心，更不是宇宙的中心，而只是一颗绕太阳运转的行星，太阳本身是不运动的。达·芬奇还认为月亮自身并不发光，它只是反射太阳的光辉。他的这些观点的提出早于
哥白尼的“日心说”，甚至在当时，达·芬奇就可能在幻想利用太阳能了。
物理
达·芬奇重新发现了液体压力的概念，提出了连通器原理。他指出：在连通器内，同一液体的液面高度是相同的，不同液体的液面高度不同，液体的高度与密度成反比。15世纪，他最早开始了物体之间的摩擦学理论的研究。他发现了惯性原理，后来为
伽利略的实验所证明。他认为一个抛射体最初是沿倾斜的直线上升，在引力和冲力的混合作用下作曲线位移，最后冲力耗尽，在引力的作用下作垂直下落运动。
还预示了物质的原子原理，形象生动的描述了原子能的威力：“那东西将从地底下爆起，使人在无声的气息中突然死去，城堡也遭到彻底毁坏，看起来在空中似乎有强大的破坏力。”
机械
对机械世界痴迷不已。水下呼吸装置、拉动装置、发条传动装置、滚珠装置、反向螺旋、差动螺旋、风速计和
陀螺仪……达·芬奇将他无数的奇思妙想呈现在世人面前。故事的开头不得不说起达·芬奇初到
佛罗伦萨学画的经历。事实上，这段经历开启了艺术家达·芬奇的大门，也开启了科学家达·芬奇的大门。
佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂是文艺复兴建筑的开端。达·芬奇在安装穹顶灯塔上的巨型铜球时，亲眼目睹了三速提升机等机械装置的效率，深感其中的神奇。
1460年达·芬奇随父亲来到佛罗伦萨，开始了他的学徒生涯，同时开始学画。学画的达·芬奇参与安装佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂穹顶灯塔上的巨型铜球，由此接触并感受到了各式各样机械系统的神奇。
医学
达·芬奇在生理解剖学上也取得了巨大的成就，被认为是近代生理解剖学的始祖。他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。
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。
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。
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。
军事
达·芬奇的研究和发明还涉及到了军事领域。他发明了簧轮枪、子母弹、三管大炮、坦克车、浮动雪鞋、潜水服及
潜水艇、双层船壳战舰、滑翔机、扑翼飞机和直升机、旋转浮桥等等。2008年4月26日，在瑞士西部城市帕耶讷，36岁的瑞士人奥利维耶·维耶提-特帕使用由达·芬奇设计的金字塔型降落伞从距地面600米高的直升机上成功跳下。