在自然科学领域，在天文学上，达芬奇对传统的“地球中心说”持否定观点；还认为月亮自身并不发光，只是反射太阳的光辉，这早于哥白尼“太阳中心说”；并幻想利用太阳能聚焦。在物理学上，他重新发现了液体压力的概念，提出了连通器原理，发现了惯性原理，否定了亚里士多德的落体学说，发展了杠杆原理，指出了“永动机”作为能源的不可能性，还预示了物质的原子原理。在医学上，他被认为是近代生理解剖学的始祖，最先采用蜡来表现人脑的内部结构，第一个具体描绘脊骨双S型态，第一个画出子官中胎儿，第一个画出腹腔中的阑尾，也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人；并发现了血液的功能，研究过心脏，发现心脏有4个腔，并画出了心脏瓣膜；认为老年人的死因之一是动脉硬化，而其原因则是缺乏运动。在建筑学上，他设计过桥梁、教堂、圆屋顶建筑和城市下水道；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；米兰的护城河也是他设计和建造的。在水利工程上，他的研究比意大利学者克斯铁列早一个世纪；为排除泥沙，他作了疏通亚诺河的施工计划；设计并亲自主持修建了米兰至帕维亚的运河灌溉工程。在军事和机械方面，他发明了飞行机械、直升飞机、降落伞、机关枪、手榴弹、坦克车、潜水艇、双层船壳战舰、起重机、挖河机、照相机、加热机、温度计等，人们将他视为直升机的先祖；他还设计出了史上第一个初级机器人，并点燃了现代汽车发明的灵感之火。在地质学上，他推断出地壳有过变动，指出地球上洪水的痕迹是海陆变迁的证明；并在麦哲伦环球航行之前就计算出地球的直径为7千余英里。
达芬奇是一位刻苦勤勉、惜时如金的人。他创造的定时短期睡眠延时工作法（人称“达芬奇睡眠法”）甚为人们所称道，即每工作4小时睡15分钟，这样，一昼夜花在睡眠上的时间累计只有1．5小时，从而争取到更多的时间工作。此法得到过后人的验证。
自1513年起，达芬奇漂泊于罗马和佛罗伦萨等地。1516年后被法王弗朗索瓦一世邀入法国，法王给予了他至高的接待，将其安置于昂布瓦斯的城堡中，并时不时地去请教，直至病逝。而他在佛罗伦萨市中心的古罗马圣地西玛安纽立亚他大教堂隔壁修道院里的那间秘密实验室，直到2005年才被人发现。
达芬奇是人类智慧的象征，他的抱负是发现一切、研究一切、创造一切。他在临终前还心酸地说：“我一生从未完成一项工作。”
达芬奇去世时留下了用左手反写的镜像字、长达7千多页的笔记手稿（现存5千多页），生前都没有发表过，直到1817年才重见天日。其内容无所不包，被称为一部15世纪科学技术的真正百科全书。人们称他是一位现代世界的预言家，至今仍在影响着人类的科学研究。科学史家丹皮尔这样评论达芬奇，“如果他当初发表他的著作的话，科学本来一定会一下就跳到一百年以后的局面。”
正因为达芬奇如此聪明、博学、全才，其见解与发明是如此先进，有人甚至怀疑他是来自未来，乘时空穿梭机停在了15世纪。
达芬奇的“性情密码”
达芬奇一生没有跟任何一个女人有过婚姻甚至是亲密的接触，始终私下保持秘密，并宣称自己厌恶肉体关系，他把男女之事看做是最龌龊的行为，曾说“与生儿育女有关的任何事令人厌恶，人若没有美好面孔以及美感素质将会早亡”。
“鸡奸者”的指控是达芬奇一生的隐痛。1476年，他还在韦罗基奥门下时，被匿名指控与17岁的男模特Saltarelli发生关系，而此人早已有越轨行为。在两次听证会后，这案子因证据不足而不了了之。但也有人宣称那是由于达芬奇父亲受人敬重的社会地位所致。
这次审判无疑给达芬奇带来了巨大的心灵创伤，之后的岁月里，他和Saltarelli一直是在佛罗伦斯值夜官的监视下度日。他竭尽所能保护自己的私生活，甚至用倒写法隐藏真实思想。所以，一切关于他是同性恋的猜想，都只是停留在捕风捉影的阶段。
但不论如何，这仍是人们最津津乐道的话题。许多历史学家指出达芬奇倾向于男性；他一生从未与哪个女人有过特殊的关系，他的画作也证明了自己对男性美的迷恋。他的素描基本上只针对男性裸体，对性器官的描绘尤其引人注意。而与之形成鲜明对比的是，他很少画到女人脖子以下的部分，即便画了，性器官也非常模糊甚至扭曲。
另外，达芬奇笔记本里的许多注释，暗示了他与男学生Caprotti的“恋童癖”暧昧关系，据说这关系至少持续了30年。Caprotti被传记作家乔尔乔·瓦萨里描述为一位“达芬奇所陶醉的细卷发优美青年”，于1490年（10岁）进入达芬奇家。但是两人关系并不好，达芬奇说他是“小偷、骗子、顽固且贪吃”。他至少有5次偷走金钱及值钱的东西，并将钱花在服饰及24双鞋中。然而过了30年，他仍旧是达芬奇的同伴、仆人兼助手。
1506年达芬奇遇到一位伦巴底贵族的15岁儿子法兰西斯科·梅尔立伯爵。梅尔立曾在信中提到对达芬奇的感觉直陈是“深情且至热的爱”。Caprotti事实上也接受梅尔立的存在，他们3人还在意大利旅行过。梅尔立也变成达芬奇的学徒及同伴，甚至是他最偏爱的学生。
达芬奇在佛罗伦斯的日子，维持情色师徒制以及纵情性爱的关系。除此之外，达芬奇还有许多在不同领域著名或者影响历史的朋友。
达芬奇去世前不久完成的画作《施洗圣约翰》美丽而妖冶，袒胸露肩且有趣诙谐，画中那男女莫辨的圣约翰的原型就是Caprotti。在达芬奇的笔记中，也存有两人相识初几年时的卷发俊男图。在《亚特兰堤斯抄本》书背所发现的情色作品，描述Caprotti两腿背后有阴茎队伍行军。达芬奇的情色画作也包括男女交媾图，但在他死后被一位神父发现并破坏掉。
1910年，精神分析学大师弗洛伊德利用达芬奇的笔记作为原材料，对其性取向进行了深入研究。他认为，达芬奇将他的性欲表达在作品中，许多未完成的作品便是一种性挫败、性冷感的象征。
在《梦之书》中有一段关于《断袖之恋》的虚构对话，由同一时代的艺术评论家兼理论家吉安·保罗·洛马奏所写，书中出现的主角达芬奇说：“可知男性之爱仅是道德的产物，一起以不同的友情加入男人中，就从幼年进入男人的爱中，如同更多健壮的朋友一样。”在这段对话中，对谈者向达芬奇打听他与助手沙莱的关系，“你在那个佛罗伦斯之爱背后玩游戏吗？”达芬奇回答：“可真多次呀！在我心里他可是一个漂亮年轻人，尤其他才15岁。”
弗洛伊德还认为，达芬奇有恋母情结。小时候每当达芬奇发怒时，母亲都会用亲吻来安慰他，堵住他想要说的话。达芬奇的许多内心压抑，都是通过母亲的深吻来加以释放的。这影响是如此之大，以至于他一生从未亲吻过自己母亲以外的女人。在达芬奇流传至今的20幅画作中，有15幅画是以女性为背景。又因为母亲出身卑微，达芬奇便塑造了许多普通女性的形象。
达芬奇在画《蒙娜丽莎》时，丽莎勾起了他对生母卡泰丽娜的回忆。有一次，大师深情地向少妇倾诉了自己的身世，似乎从丽莎的身影中看到了生母的形象。当讲到母亲在24岁就死去时，他的声里充满怜悯和悲痛。丽莎说：“我也是24岁，我使你想起了她。”丽莎成了卡泰丽娜的神秘化身。
所以，大师是用真诚而纯洁的情感去描绘丽莎的，他用对母亲和情人的双重情感来尽情描绘她的肖像。不仅如此，他还把她作为一种理想，一种美的象征，作为人类世界的欢乐和光明来描绘。他要把自己的美感和体验用画笔传达给所有的人。文艺复兴的到来使神从神坛上走下来，成为有血有肉、有情有欲的人。