Leonardo je učestvovao u seciranju i to je omogućilo izradu mnogih anatomskih crteža i planirao je velike radove ljudske i upoređivačke anatomije. Došao je na ideju kako secirati oko i taj se način upotrebljavao do 19. veka. 1490. godine je stvorio „Kanon proporcija“ po idealnim proporcijama muškog tela koji je popisao u svom radu rimski arhitekta Markus Vitruvius Polio i ova studija nazvana „Homo Vitruvius“ („Vitruvijanski čovek“) je jedan od najpoznatijih njegovih radova.

Njegov studij anatomije vodio je ka projektu prvog robota u pisanoj istoriji. Projekat se zove i „Leonardov robot“ bio je verovatno nacrtan 1495. godine ali je objavljen tek 50- tih godina 20. veka i nije poznato dali je neko pokušao da ga konstruiše.

Posto je bio jako uspjesan bilo mu je dozvoljeno da secira ljudska tijela u bolnici Santa Mario Nuova u Firenci, a kasnije i u bolnicama u Milanu i Rimu. Od 1510. do 1511. saradjivao je sa doktorom Marcantoniom i zajedno su napisali teoretski rad o amatomiji, za sta je Leonardo nacrtao 200 crteza, koji su objavljeni 1680. (161 godinu nakon njegove smrti).

Nacrtao je brojne studije ljdskog skeleta, srca i vaskularnog sistema, polnih organa kao i mnogih drugih unutrasnjih organa. Poznata je njegova skica fetusa u materici. Takodje je crtao ljude koji su imali razne facijalne deformitete i one koji su bili bolesni.

Sto se tice anatomije, secirao je i zivotinje, npr. krave, ptice, majmune, medvjede, zabe i konje.