达芬奇晚年极少作画，潜心科学研究，去世时留下大量笔记手稿，内容从物理、数学到生物解剖，几乎无所不包。他一生完成的绘画作品并不多，但件件都是不朽之作。其作品具有明显的个人风格，并善于将艺术创作和科学探讨结合起来，这在世界美术史上是独一无二的。

达·芬奇在师从韦罗基奥(Andrea del Verrocchio)时开始认识解剖学。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。

1481—1511年,则与托尔医生(doctor Marcantonio della Torre,1481—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。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。

达·芬奇15岁左右接触到解剖,他的非婚的生父,那个在佛罗伦萨声望极高的公证人把他送到韦罗基奥当学徒。安德里亚·德·韦罗基奥是意大利著名的佛罗伦萨画派画家和雕塑家。

在韦罗基奥的工作室,达·芬奇接受了多方面的训练:绘画、雕塑以及机械工艺技术,尤其是局部解剖(topographicanatomy)。在韦罗基奥工作室差不多10年的时间里,达·芬奇研究了的基本结构,画下了许多肌肉、肌腱和脸部等的解剖图,还初步涉及解剖对于绘画和雕塑的应用,成长为一位局部解剖的大师,甚至被吸收进了佛罗伦萨画家行会。

然而,他的书直到1680年(辞世161年)才以《绘画论》为名出版。除外,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。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。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(Leonardos robot)的设计可能是在1495年完成的,但直到1950年代才被发现。不知这个设计是否要作成实体。