Preferowano wiedzę opartą na objawieniu, czyli bezpośrednim kontakcie umysłowym ze Stwórcą, a nie obserwacji zjawisk zachodzących w przyrodzie.
Leonardo prezentował, jako jeden z pierwszych, zupełnie odmienne podejście do roli i istoty nauki. Za jej podstawę uważał założenie, że istnieje logika zjawisk przyrodniczych wykrywalna zmysłami, dająca się zrozumieć i wyrazić matematycznie (przyjmując przy tym, że cała ta rzeczywistość jest dziełem Boga). Doprowadziły go do tego rozważania nad teorią malarstwa, które stały się dla niego punktem wyjścia do analizy zjawisk widzialnych. Sądził, że ich poznawanie i pojmowanie stanowi zaczyn miłości dla Stwórcy. Uważał oko za najważniejsze „okno duszy” umożliwiające człowiekowi zrozumienie natury, ważniejsze od ucha (dlatego malarstwo stawiał wyżej od poezji czy muzyki). Uznawał, oczywiście, że istnieje zależność przyczynowo-skutkowa, a w zjawiskach przyrody – także w ich postrzeganiu – obowiązują prawa geometrii. Rozważał w naturze ruch, siłę, ciężar i zderzanie się ciał. Za instrumenty umysłowej analizy zjawisk uważał obserwację, eksperyment i matematyczne ujmowanie rządzących nimi praw.
Około 1490 roku zaczął stosować ilościowe podejście do badanych zjawisk, tworząc własną metodę naukową opartą na pomiarach, rozważaniach na modelach oraz posługiwaniu się technikami pomocniczymi (np. barwieniem wody w potoku w celu ułatwienia śledzenia jej przepływu). Przeprowadzając doświadczenia, mierzył ciężary, odległości i prędkości. W jego notatnikach znajduje się wiele wiadomości o przydatnych do tego przyrządach, niekiedy bardzo pomysłowych. Niemniej pomiary te przeprowadzał z reguły dość ogólnie – rzadko kiedy posługiwał się inną jednostką miary długości niż łokieć, czas mierzył przy użyciu zegarów wodnych i klepsydr piaskowych. Rozważając przepływ cieczy, posługiwał się modelami, z których najmniejszym były aorta i zastawki serca, największym zaś Morze Śródziemne. Zalecał parokrotne powtarzanie doświadczeń, żeby wyeliminować przypadkowe wpływy uboczne. Jeśli eksperyment dawał wynik sprzeczny z zakładanym z góry prawem matematycznym – odrzucał to prawo jako zweryfikowane negatywnie. W taki sposób – zresztą ku swemu zaskoczeniu – obalił niektóre prawidła dotyczące spadania ciał podawane przez Arystotelesa (ostatecznie ponad sto lat później rozprawił się z nimi Galileusz). Teoria bowiem miała tylko wskazywać drogę, ale podlegała weryfikacji empirycznej. Trudno nie dostrzec w tym zaczynu fermentu intelektualnego mającego niebawem doprowadzić (bez udziału Leonarda, którego ustalenia pozostały jego tajemnicą) do europejskiej rewolucji naukowej, która stała się punktem wyjścia do rozwoju nauki nowoczesnej. Badania ograniczał do świata widzialnego i mierzalnego, nie zajmując się takimi pojęciami, jak np. piękno.
Wyznawał zasadę najmniejszego wysiłku. Zapisał w notatnikach: „Każda czynność naturalna odbywa się na najkrótszej drodze”. A w innym miejscu: „Każda czynność naturalna dokonywana jest przez naturę w sposobie i czasie możliwie najkrótszym”. W zakresie statyki za punkt wyjścia przyjmował ustalenia Archimedesa.
W mechanice posługiwał się średniowiecznym pojęciem „impet”, nie doszedł do pojęcia „bezwładność”. Mimo to czynił w notatnikach spostrzeżenia bliskie w istocie pierwszemu („Każde ciało poruszone porusza się ciągle, o ile pobudka mocy poruszającej się w nim zachowuje”) i trzeciemu („Przedmiot, który uderza o powietrze, wykonuje taką samą pracę jak powietrze uderzające o przedmiot”) prawom Newtona. Stwierdzał też, że: „We wszystkich swych ruchach woda ma wielkie podobieństwo z powietrzem”.