Уже Вазари в своей книге, рассказывающей о биографиях известных художников, скульпторов и архитекторов, вышедшей в 1550 году, отмечал: «Еще он прилежно занимался изучением анатомии человеческого тела; в этом он и Маркантонио делла Торре оказывали друг другу помощь. Этот Маркантонио, превосходнейший философ, читавший в то время лекции и описывавший строение человеческого тела, впервые, как я слышал, начал разъяснять медицинское наследие галлов и анатомию в целом, которая до настоящего времени пребывает в великой тьме. Используя ум и руки Леонардо, он снабдил всю книгу рисунками, наброски которых с большой прилежностью исполнялись сангиной сразу после анатомирования человеческих тел. Он совершенно изобразил скелет, связал в едином порядке нервы и мускулы, которые впервые были прикреплены к костям, одни из них находились на костях, другие давали силу, а третьи — движение. Каждую часть тела он пояснял, но довольно плохим почерком, обусловленным, тем, что писал левой рукой, поэтому пояснения можно было прочитать только с помощью зеркала, и кто не желал этого делать, тот ничего не выяснял». Разумеется, в этом сообщении не все верно. Маркантонио делла Торре не был первым человеком, который занялся изучением анатомии посредством вскрытия мертвых тел. Уже в середине XIII столетия просвещенный король Фридрих II, принадлежавший к известному роду Штауфенов, не считался с запретами церкви и разрешал проводить вскрытие тел казненных преступников. Более того, хирургам, обучавшимся в основанной им школе в городе Салерно, Фридрих II запретил даже заниматься своей профессией без изучения анатомии. Примерно в это же время в Болонье появилась школа, в которой проводилось вскрытие тел, если причины смерти оставались неясными. Мондино де Люччи, преподававший в болонском университете анатомию и хирургию, ввел в действие новые направления в области анатомии, в которых начало постепенно проявляться наследие галльской доктрины. Его «анатомия», написанная в 1316 году, являлась фундаментальным трудом вплоть до XVI столетия. Но подъем медицинских исследований, а также врачебной практики не смог все-таки улучшить качество анатомических изображений. В 1500 году доминировали грубые деревянные гравюры и эстампы, передававшие в целом и очень неясно скелет и контуры внутренних органов. Известный при жизни Леонардо анатомический труд Иоганесса Кетамса Fasciculus medicinae, изданный дважды в Венеции в 1495 году, был некоторым прогрессом (потому что представил изображение женского мочевыделительного аппарата), но в остальном был снабжен иллюстрациями, выполненными в технике давних времен.
Интерес к изучению анатомии у Леонардо возник впервые отнюдь не с появлением в его жизни Маркантонио делла Торре. Как сообщает Кеннет Кларк, Леонардо стал заниматься анатомией наряду с другими работами уже с 1472 года, то есть задолго до того, как повстречался с Маркантонио. Впрочем, Леонардо был не только учеником и иллюстратором, но и сам являлся значительным анатомом XV столетия, несмотря на то, что Андре Везали, опубликовавший в 1543 году свое известное сочинение De humeni corporis fabrica, с полным правом получил славу основателя современной анатомии, ибо анатомические рисунки и рукописи Леонардо еще не были опубликованы. Они впервые были найдены в 1778 году в Кенсингтоне секретарем короля Георга III, после чего стали доступны науке и сегодня являются предметом гордости королевской библиотеки в Виндзоре. Впрочем, как сам Леонардо подчеркивал, он видел в анатомии всего лишь часть своего антропологического учения, в котором «начиная с рождения человека обрабатывается его организация и его телесные и духовные функции». Это дало ему также возможность осуществлять поиск правил идеальной пропорции, не ограничивая себя уже в ранние годы описанием внутренних органов с точки зрения их истинной природы. Его интересовали способы соединения нервов между головным мозгом и глазами, а также внутренность желудка, половые органы мужчины и женщины, сердце и большое количество кровеносных сосудов, гортань и бронхи.
«Дидактическая оригинальность» анатомических иллюстраций Леонардо занимает примерно 150 листов большого размера, дошедших до нас. В нем он представил последовательно различные части тела человека — от внутренних до наружных. Такая последовательность рисунков способствует формированию у зрителя пространственного впечатления, а также помогает узнать принадлежность определенных частей к различным системам. Зигфрид Эше говорит о Леонардо, как о создателе демонстрационных рисунков в науке, который опирался на «искусство рисования, владея тонкими средствами выражения настолько совершенно, что до него вряд ли кто мог подобное начертать пером». Это стало возможным только потому, что он в своей научной деятельности был максималистом, строившим ее на основе точных наблюдений в природе, и наконец-таки преодолел традицию галлов, авторитет которых, как упоминали об этом во времена Леонардо, мешал каждому самостоятельному исследованию. Он придавал серьезное значение науке своего времени, но говорил: «Кто только спорит и прибегает к авторитетам прошлого, тот использует не дух, а скорее свою память».
Леонардо был убежден в том, что еще не существовало точных описаний к достоверно выполненным рисункам. На его анатомических листах можно прочитать: «О, пишущий, какими словами ты сможешь наполнить столь совершенные конфигурации, которые зарисованы здесь?» Для него очень важно было постоянно сравнивать их с иллюстрациями, не имеющими описания. Вначале речь шла только о перерисовке различных анатомических репродукций старинных авторов, таких как Мондино де Люччи, натолкнувшего Леонардо во время его первого пребывания в Милане на мысль, что такие рисунки являются чем-то большим, чем стиль рисования, так как они, с того самого времени как появились, в действительности соответствуют органам человеческого тела и основываются на некоторых анатомических исследованиях. И он, как представитель искусства, решил дать наконец полноценные изображения, столь значимые для анатомов его времени. Его достижения состояли в особенности в том, как правильно подчеркивает Зигфрид Эше, что он в своей иллюстрационной технике последовательно применял «осмысленный принцип», который называл изображением, содержащим в себе максимальное упрощение сложного положения вещей. Кроме этого, Леонардо впервые стал придерживаться принципа: «Рисуй каждую часть тела с четырех сторон».
Из записей Леонардо, сделанных на полях рисунков, создается впечатление, что он, полный страстной одержимости, начал изучение анатомии и каждое открытие, сделанное им, наполняло его гордым чувством удовлетворения. Разумеется, он осознавал, что это действовало отталкивающим образом на некоторых современников. К воображаемым студентам, которые могли бы принимать участие во вскрытии трупов, он обращался со следующими словами: «Если ты любишь свое дело, то борись с отвращением, возникающим при этом в твоем желудке, и если даже оно не проходит и ты испытываешь страх оттого, что должен будешь провести ночь в обществе разрезанного на куски ужасного трупа, все равно борись с ним». Разумеется, самому Леонардо не было противно расчленять человеческие тела и он даже открыл для себя истинную красоту подобного творения, считая его шедевром, воодушевленно записывая на одном из своих анатомических листов: «О ты, человек, который при помощи моей работы соприкоснулся со знанием прекрасного творения природы, если ты веришь в то, что расчленение человеческого тела является преступлением, то подумай: насколько преступным является то, что забирает жизнь человека, и если эти выраженные формы в своем строении покажутся тебе прекрасными, осмысли их, ибо ничто не идет в сравнение с душой, живущей в этом строении, так как это всегда должно быть творением Бога. Пусти в его творение свое удовольствие и волю и не допускай того, чтобы твой гнев и злость разрушили такую жизнь ибо истины нет для тех, кто не ценит жизнь, и незаслуженно владеет ею».
Однако Леонардо не ограничился в своих исследованиях только анатомическим описанием, он занимался также и вопросами патологии, а именно прогрессирующими изменениями под действием болезни. К примеру, он стал первым, кто в истории медицины описал артериосклероз. Во время работы во Флоренции над «Битвой при Ангиари» ему пришлось проводить вскрытие тела старика, который до конца своей жизни считал себя здоровым. В сообщении Леонардо говорится: «Некоторые сведения, собранные мной о его жизни перед смертью, говорят мне о его возрасте; он прожил 100 лет и в канун смерти не чувствовал ничего другого, кроме старческой слабости… Я провел вскрытие, целью которого являлось установить причины такой безболезненной смерти, и обнаружил, что смерть наступила вследствие бессилия, проявившегося в отказе работоспособности крови и артерий, обслуживающих сердце и другие сопутствующие органы (в общем это была аорта, иначе главная артерия), и я записал на пергаменте, что обнаружил их изуродованными и сморщенными». Это ярко выраженное изменение показалось ему достойным особенного внимания, потому что он примерно в это же время провел вскрытие трупа 12-летнего ребенка, в котором он обнаружил «полную противоположность случаю со стариком». Он описал также труп одного мужчины, который вследствие прогрессирования болезни — вероятно, он страдал раком, — был настолько изможден и худ, что «его мускулы истощились и по состоянию своему превратились в тонкую кожу». Очевидно, что смерть наступила вследствие экстремальной атрофии всего мышечного аппарата.