与其素描并肩而至者，乃是许多的注解，有时是在同一页，有时却是在男人、妇女、风景或机器等的速写上乱画乱涂，这是那不满足的心灵被大自然的运行及法则所困惑之故！也许科学家是由艺术家所产生，由于绘画而迫使他去研究解剖学、比例及透视的法则、构图及光线的反射、颜料及油料的化学成分等。由这些研究中他能更精湛地探究动植物的结构及功能，也因此产生了一有关宇宙及永恒自然法则的哲学观念。艺术家也时常由科学家中产生，因科学的绘画，其本身可能便是一件美的事物，或者其终极也便是一个优雅的图饰。
达·芬奇与其同时代的多数科学家一样，企图指出科学的方法是经验而非实验。“记着，”他忠告自己，“当讨论水时，首先举经验为证，然后说明理由。”因为任何一个人的经验在真实中不过是极其细微的片断，所以达·芬奇便以阅读来补充其经验的不足。他细心地并批评性地研究萨克森的阿尔伯特（Albert of Saxony）的著作，获致了一些有关罗杰·培根（Roger Bacon）、大阿尔伯图斯（Albertus Magnus）、古沙的尼古拉（Nicholas of Cusa）等人的观念，并且在与巴齐奥里、杜雷及帕维亚大学的教授们的交往中学到很多。但他以自己的经验来试验。“无论是谁，若涉及权威，则须以记忆而非理智来工作。”在他那个时代中，他是一位最不玄奥的思想家，他反对炼金术和星象学，同时希望有一个“星象家都被排斥”的时代。
他几乎试验了各种科学。他沉迷于数学中，认为数学是最纯粹的推理形式，认为几何图形中有某种美，并在研究《最后的晚餐》时画了某些几何图形。他有力地表现出一项科学的基本原理：“没有确定性——无论是数学或基于数学都不能应用。”他很骄傲地附和柏拉图所说的：“绝不让那些不是数学家的人来阅读我的著作。”
天文学对他有极大的魔力，他要“制造眼镜来看放大的月球”，但显然没有制造出来。他写道：“太阳并不移动……而地球并非在太阳的同心圆中，也不在宇宙的中央。”“月球每月都有冬夏。”他敏锐地讨论月球上黑点的成因，这是阿尔伯特的意见。他也同样受到阿尔伯特的指引，他说：“由于每一重物均向下压，而无法永远地承负，地球一定会变成平面，而且将被水覆盖。”
他在高地上注意到海底动物的化石壳，而推断水曾达到那样的高度，约1338年薄伽丘曾于其《菲洛柯波》（Filocopo）一提过。
他反对宇宙洪水的概念，而将其归之于地球的古迹，如果发表出来，这个观点将震撼当时的正统。他认为随波河（the Po）挟带而来的累积物已持续了20万年。他绘制了一幅如他想象的，已在早期的地质时代的意大利地图。而他认为撒哈拉沙漠曾一度被盐水覆盖，山脉由雨水的侵蚀而成。海底由于所倾注的河流挟带着瓦砾，因而不断地高涨。“许多大河流在地底流。而在地球当中，赋予生命的水的运动，与人体内血液的运动是相似的。”索多玛及蛾摩拉之所以被毁，并不是因为人类的弱点，而是由于地质缓慢地运动，而且极可能是因为他们的泥土下陷于死海。
达·芬奇贪婪地尾随着14世纪的物理学家让·比里当（Jean Buridan）及阿尔伯特所推展的前进。他写了100页有关运动和重量的论著，及更多有关热学、声学、光学、颜色、水利学、磁学等方面的论著。“机械学是数学的乐园，因为借着它的方法，一个人在有用的工作中得以进入数学的核心。”他喜欢滑轮、起重机、杠杆，认为其所能举起和移动的是无止境的；他对那些永恒运动的追求者却加以嘲笑。“因物质的运动而产生的力量，及因压迫而产生的重量，是人类所有的工作所以存在及达到目的的四个偶然之力。”但他不是一位物质主义者；相反，他将力量界定为“精神的能量，其所以是精神的，是因为其中的生命是无形的而且不需要躯体……其所以是无法触知的是因为其所制造的躯体，无论在大小和重量方面均无法令其增大”。
他研究声音的传播，同时将其媒介减至仅剩声波。“当维忽拉琴弦撞击它时……便传播一个运动至另一个具有相同音调的维忽拉琴弦上，当你将一截稻草，放在一根与正要拨弄的琴弦类似的弦上试一下便可知道。”他对电话有自己的概念。“若令你的船停下来，而后置一长管的一端于水中，而另一端置于耳旁，则可以听到距你极远的船。同样也可将管子的一头置于地上，而后便可听到在远处行走的任何一个人。”
视线和光线比声音更令他着迷。他对眼睛极为惊异：“谁会相信这样小的空间能将宇宙所有的影像包含无遗？”他对能回忆很久以前的影像的心灵力量更是惊异。而对能补偿衰弱的眼肌的眼镜，他作了一番极为优越的描述。他以照相机里倒影装置的原理来解释视神经的运作：在照相机及眼睛中，光线照在物体而进入相机或眼睛时，变成一锥形，因此影像会倒转。他分析在霓虹中光线的折射。他和阿尔贝蒂一样，对补充颜色有一很好的概念，比米歇尔（Michel Chevreul）要早400年。
他开始并计划了许多有关水的论文的注解。水的运动吸引了他的眼睛和心灵，他研究河流、山泉和瀑布、气泡和水泡、大雨和豪雨，及风雨交加时的狂暴。“若没有水”——在2100年后，他重复塔莱斯（Thales）所说的——“则我们之间就没有能活着的东西”。他已预期了帕斯卡（Pascal）的流体静力学的基本原则——流体上的压力是被流体转移的。他注意到：正在传递的容器中的液体仍保持同一水平。继承米兰在水利工程方面的传统，他设计并建造运河，疏导佛罗伦萨至海洋间的阿尔诺河，使佛罗伦萨无须仰仗比萨为其外港。
他以特奥夫拉斯图斯在植物方面的著作充实自己，而后其机敏的心灵便转向“自然史”。他解释树叶围绕其枝干而排列的方式，他观察在树木横断面上的圆圈，那是以其数目记录其生长的年龄。同时以其间的宽度表示某一年的湿度。他似乎也怀有在他那个时代有关某些动物的谬见：由于动物的出现或触摸动物便能治愈人类疾病。他彻底研究马的解剖。他已写好了论文，但在法国占领米兰时遗失了。他同时研究人和动物的四肢，因此他一手开创了近代的比较解剖学。他将陈旧过时的盖仑（Galen）的著作弃之不顾，而研究真正的尸体。关于人的解剖，他不仅以文字叙述，而且以绘画来描述，他计划写一本有关解剖学的书，从数百个说明和注释着手。在其令人惊异的图画和注释中，他首次绘制了一幅合乎科学的子宫，并且正确地描述了围绕着胎儿的三层薄膜。他是首次描画出支持着双颊的骨腔，即现在著名的高位腔。他将蜡倾入一只死牛的心脏瓣膜里，以便获得正确的概念。他是第一位描述右心室的。他被网状的微血管迷惑。他预测血液的循环，却未完全领略其机能。“心脏，”他写道，“比其他肌肉更强健……当心脏瓣膜打开时所流回的血液，与其关闭者不同。”他很正确地描绘身体的微血管、神经和肌肉，他认为老人都会动脉硬化，原因是缺乏运动。他开始写作一卷有关人类形体的适当比例的书，以有助于艺术家，而他的一些概念被编入他的朋友——巴奇奥里的论文《论比例的神圣》（De Divina Proportione）中。他分析人们由出生至死亡的物质生活，然后计划作精神生活的探究。“啊！应请求上帝让我能像描述人类的身体一样解释人类习惯的心理！”
达·芬奇是一位伟大的科学家吗？洪堡（Alekander von Humboldt）认为他是15世纪最伟大的物理学家。而亨特（William Hunter）认为他是那个时代最伟大的解剖学家。他并非如洪堡所称的那样是一位始祖，因为许多物理学的观念是由让·比里当、阿尔伯特及其他先驱传递下来的。他是一位有可能犯大错的人，正如他写道：“任何与空气接界的水面，一定比海面高。”但像这样的错误，在对有关地球及天空所做的这么多的注释中，却是很少的。他理论上的机械学是属于高度业余性质的，因为他缺乏训练、工具和时间。但他能在科学上获得如此成就，真可谓一种奇迹。
有时他也是一位哲学家，他说：“噢！奇异的必需啊！你以至高无上的理性迫使所有的果，成为他们之因的直接结果，同时以至高无上和不能改变的法则使每一自然的行动在最短的过程中服从你！”这是时代的强音，而且也暗示达·芬奇已散发出神学的气息！瓦萨里在他第一版的《艺术家的生活》中写道：他有“邪说异端”所铸之心，所以并无任何宗教信仰，也许当一位哲学家比做一位基督徒还好。但在其后数版里，瓦萨里删除了这一页。正如那时的许多基督徒一样，达·芬奇也时常攻击牧师，称他们是伪善者，指控他们以冒牌的奇迹来欺骗普通人，同时嘲笑他们以未来天国里期票的“假钞”换取现世的银钱。在某年的基督受难日，他写道：“今天因为东方有一人逝世，整个世界都陷入悲愁的境地。”他似乎认为死去的圣人们，无法听到祈祷者对他们的倾诉。“我希望我能具有某种语言，其能力能使我责难那些对人颂扬高于对太阳颂扬的那些人……希望把人视为神而加以礼拜的那些人，已经犯了极大的错误。”对基督的肖像，他比文艺复兴时期其他的艺术家采取更开明的态度，他隐匿了光环，圣子在其母膝上，而孩提的耶稣企图骑那象征性的羊。他在物质中发现心灵，同时相信一个精神心灵，但显然认为心灵只有经过物质并且符合不变的法则而后始能行动。他写道：“心灵永远不会因为躯壳之腐化而腐化。”但他又说：“死亡同时毁减了记忆和生活……若没有躯壳，心灵既无法行动也不能感觉。”他在许多草稿中以恭谦卑微而狂热的态度谈论上帝，他却又指出神是大自然、自然法及“必需”。直到晚年，神秘的泛神主义始终是他的宗教信仰。
