最早可以确定列奥纳多对解剖学产生兴趣的素描和笔记作于15世纪80年代末。这些素描和笔记只是他影响最为深远的一大成就的开端。就他的实际贡献或影响力来说，他在解剖学方面取得的成绩要远大于他在工程、发明和建筑方面的成绩。他绘制的人体图和记录的相关笔记要比前人在这方面的成就更为严格和准确。他的人体解剖素描为揭示人体器官提供了全新的视图，就像他的机械素描与机器的关系一样。进行这种探索需要顽强的意志和勇气，会受到传统禁忌的阻碍和教条主义者的质疑，而且还需要在尸体冷却之前在紧张的时间内，进行令人厌恶的解剖。列奥纳多的解剖活动体现了他“勇于实践”的工作理念，这是对先哲——加伦、希波克拉底和亚里士多德被普遍接受的智慧的剖析和再评价，这三人当时依然是医学派别的主流。
传统观念认为解剖学太过古怪，因为人是按照上帝的样子生出来的，因此不能像机器那样被大卸八块。早期的人文主义者科卢切·萨卢塔蒂就曾写道，解剖学揭示了“自然所一直精心隐藏的东西”，“我不相信如果在看到人体深处的时候，有人能不潸然泪下。”列奥纳多的解剖活动至少有一次使自己与教会发生过对立。那是1515年的罗马，一个居心叵测之人“千方百计阻挠我进行解剖，不仅在教皇面前公开指责我，还在医院里喋喋不休”。
列奥纳多的解剖活动属于科学研究，同时也与艺术领域有着紧密联系，解剖学拉近了科学与艺术的距离，或者表明两者之间根本就不存在什么距离。解剖学同几何学和数学一样，都是绘画的基础。在一幅画出颈部和肩膀神经的解剖图的下面，列奥纳多写道：“这种表现形式对一名优秀的绘画者十分重要，就好比优秀的语法家要知道单词的拉丁文起源一样。”[257]你是否还记得，《最后的晚餐》中列奥纳多用人物的紧绷而又扭曲的颈部肌肉来表现当时戏剧性的一刻。列奥纳多对解剖学的兴趣，就像稍晚一些对光学的兴趣一样，是他从事绘画的必然结果，也许更准确地说是他在米兰作坊向弟子和学徒传授绘画技艺的必然结果。“画家哲学家”的理想观念也随之产生，列奥纳多的艺术是建立在他对描绘之物的深厚的科学知识之上。他也是自此开始发奋撰写小册子和专题文章，这些文章在他死后被收录进他伟大的《论绘画》中。在早期的传记作家看来，研究解剖不完全是件好事。焦维奥确信列奥纳多艺术方面的低产是因为他将大把的时间用来研究“艺术之下的学科”，主要是研究解剖学和光学。瓦萨里也认为在这些领域探索并不重要，最终会削弱他的艺术创作。
列奥纳多应该可能跟韦罗基奥学过解剖。佛罗伦萨15世纪70年代的艺术表现风格，比如安东尼奥·德尔·波莱沃洛的绘画和韦罗基奥的雕塑，都带有强烈的人体解剖的细节和戏剧性。波莱沃洛对人体肌肉曾做过十分细致的研究，这显然是借助解剖进行的，随后他创作了著名的《裸体人大战》。列奥纳多应该知道佛罗伦萨的解剖专家安东尼奥·贝尼维尼，他俩可能还彼此相识，贝尼维尼还是洛伦佐·德·美第奇的朋友。贝尼维尼研究过心脏和其他内部器官的功能，但他主要的兴趣在于在死刑之后解剖尸体，寻找犯罪行为的体内表征。他的专著《隐藏的原因》讲述了他在进行20次这种解剖之后的调查结果。
也许佛罗伦萨还有其他人在解剖学上影响过他，但是列奥纳多对解剖学的兴趣表现得最为强烈的时候还是在米兰。1489年，列奥纳多曾打算出一本关于这方面的“书”，这实际是一本手抄本专著。有一些文字资料可以证明这一点：有一些残留下来的草稿和目录列表，其中一张草稿的写作日期是1489年4月2日。列奥纳多后来给这个计划中的书起名为《论人体的形态》，再一次证明了解剖学与绘画之间的关系。
1489年，36岁的列奥纳多开始思考世界通用的死亡的象征：人的头骨。在藏于温莎皇家图书馆的三页纸张上，他描绘了八幅关于头骨的习作，有侧面图，有截面图，还有从上方斜看头骨的图。这些素描画得巧妙精致，阴影效果优美，神秘怪异。不同的习作选取不同的角度——有画脸部的血管，有的表示眼眶和颚骨之间的关系，还有的是俯看颅骨的空腔，描绘了颅内的神经和血管。但他绘制这些习作的主要兴趣出现在画边的注解上。他的兴趣不在科学研究，而是形而上学方面。其中一幅头骨习作被按比例画成方形，列奥纳多在画边上写着，“a－m线与c－b线相交的地方，就是各种感觉的交汇之所。”
他这里特意强调的“各种感觉交汇之所”就是亚里士多德曾假设的“共通感”。各种感观印象在大脑这个地方得到协调和解释。“共通感”被称为大脑三个“脑室”中最重要的一个，另两个一个是“印象区”，用以收集原始的感观数据，另一个是“记忆区”，用以存储加工后的信息。“脑室”只是指一个地方或腔室，但“共通感”除此之外还有其他作用。打个比方，“共通感”就类似于电脑里的CPU（即中央处理器），两者既是物质实体，又都是抽象的系统。在一些与头骨习作同一时期创作的笔记中，列奥纳多是这样给这一传统理论下定义的：
“共通感”用来判断其他意识所提供的信息。古代的思想家们总结说，人的解释能力来自于一个器官，其他五个意识将所有信息都送到那里……人们说“共通感”处在大脑的中央，位于印象区和记忆区之间。
“共通感”因此就成为理智、幻想、智力，甚至是灵魂的来源。列奥纳多继续说道：
似乎灵魂就寄居在这个器官之内……名叫“共通感”。“共通感”并不是像许多人想的那样遍布身体各处，而是应该集中在一个地方，因为如果灵魂到处都是的话，感官器官就用不着汇聚到一起……因此“共通感”就是灵魂之所在。
如果按照字面意思理解，我们会冒出这样一个不同寻常的念头：如上图所示，在温莎这幅成比例的头骨习作中，列奥纳多用坐标方格找出了人类灵魂的实际位置。得出这样的结论似乎太过简单了。列奥纳多其实是在提出问题，而不是得到结论。他指出这个理论是“古代的思想家们”提出来的，主要是亚里士多德，他还暗示其他一些古代思想家认为灵魂在身体里无处不在，比如柏拉图和赫耳墨斯。不管怎样，这是典型的列奥纳多式的飞跃，提出了一个令人激动的发现的可能性。通过这些素描所体现的这种清晰而客观的研究，当然有可能找到人脑中内部的各种秘密。如果真有“共通感”存在的话，我们肯定能将它找到；如果真有灵魂存在的话，灵魂肯定就在那里。读过这些笔记我们似乎能感到他既像是个魔术师，又像是个怀疑主义者。他小心翼翼地向头骨的各个腔室和隐蔽处窥探，心中充满好奇心，却又不敢确定，脑子里交织着“恐惧和期望，既对森然可怖的黑洞感到恐惧，同时又渴望知道洞里是否藏有奇妙之物”。
在一张头骨习作的背面他留下了日期：1489年4月2日，并记着还要研究的项目的列表。列表先是有关人的头部和脸部，然后转到头骨部分：
是哪一根肌腱导致眼睛的运动，以至于一个眼睛的运动又带动另一个眼睛的运动？
又是那些肌腱导致
皱眉。
扬起和低垂眉毛。
眼睛的眨动。
鼻孔的外张。
开启嘴唇，而牙齿闭紧。
撅起嘴唇。
大笑。
惊讶……
他的问题的范围突然变得宽泛起来，从大笑和惊讶表情的肌肉运动，突然转向：
描述人类的起源，人是怎么会在子宫里的，为什么八个月大的婴儿不能在体外存活。
人为什么打喷嚏。
人为什么打呵欠。
癫痫
痉挛
瘫痪
冻得打哆嗦
流汗
饥饿
睡觉
口渴
性欲
他接着转向人体的肌腱和肌肉体系——“使肩膀到肘部运动的肌腱”，“使大腿运动的肌腱”等等。这个主题可以与另一份早期的习作联系起来，那幅习作画的是胳膊和腿的肌腱。该习作画得不够细致，表明它是列奥纳多在解剖时作的，因此才会较为粗糙和仓促。
从这些解剖习作，我们能感到列奥纳多那种趋向“全能”的冲动，这也成为他科学研究一个拖累：他必须要对万事万物重新进行解释，每一个研究主题都揭示了许多其他需要研究的主题。
伴随《论人体的形态》的研究还出现了一系列素描，这些素描用平面展现了人体比例，展示了人体各器官之间的数学比率。列奥纳多这里又一次受到维特鲁威的影响。维特鲁威是罗马公元一世纪伟大的建筑家和军事工程师，惟有他的著作提出了关于人体和谐比例的理论和实践。温莎皇家图书馆藏有一些列奥纳多这方面的素描，它们大约作于1490年，其他一些素描已经失传，但《惠更斯抄本》里收录了一些摹本，这是一个16世纪下半叶汇编的一个手抄本，大概是米兰艺术家季罗拉莫·费奇诺编纂，他曾是列奥纳多早期助手弗朗切斯科·梅尔兹的弟子，因此有机会接触梅尔兹收集的大量列奥纳多的资料。
这些人体比例习作中最为著名的一幅，实际也是世界上最著名的素描之一，就是那幅人称《维特鲁威人》的素描，又称《神圣比例》，该图已成为列奥纳多和他的雄心壮志的一个标志。就像大多数负有盛名的作品一样，这幅作品常被单独放在名誉的聚光灯下探讨，而不是放在其诞生的背景里考虑。
《维特鲁威人》是一幅钢笔画素描，画在一张大纸上（×英寸），现藏于威尼斯的学院美术馆。之所以藏在威尼斯，大概是因为弗拉·乔康多于1511年在威尼斯印刷了维特鲁威作品的对开本，里面有一张依照这幅素描作的版画。素描的上面和下面都是手写的小字。图画上面的字是这样写的：
建筑家维特鲁威在他的建筑学著作中说，大自然把人体的比例安排如下：四指为一掌，四掌为一足，六掌为一腕尺（cubit）[指前臂的长度，该词来自“肘部”的拉丁文cubitus]，四肘尺合全身……
这些人体比例是从维特鲁威的《建筑十书》第三卷第一章中节选的，书的后面写得越来越详细：“肘部到手的中指尖的长度为身高的五分之一；肘部到腋窝的长度为身高八分之一……”素描下面是用手指和手掌为单位作的比例尺。
画中描绘了一男子，他摆出两个明显不同的姿势，这些姿势与画中两句话相互对应。双脚并拢、双臂水平伸出的姿势诠释了素描下面的一句话：“人伸开的手臂的宽度等于他的身高。”画中人因此被置于正方形中，每一条边等于96指长（或24掌长）。另一个人将双腿跨开，胳膊举高了一些，表达了更为专业的维特鲁威定律：
如果你双腿跨开，使你的高度减少十四分之一，双臂伸出并抬高，直到你的中指的指尖与你头部最高处处于同一水平线上，你会发现你伸展开的四肢的中心就是你的肚脐，双腿之间会形成一个等边三角形。
画中摆出这个姿势的人被包在一个圆里，他的肚脐就是圆心。
这幅素描的一个魅力在于抽象的几何学与观察到的身体现实的相互作用。画中人的身体只画了主要几部分，但轮廓优美，肌肉结实。这人的双脚实际似乎是踩在正方形的底边之上，或是抵在圆形的弧线上。这两个姿势给人一种运动的感觉，也许是体操运动员的动作，实际上是一个人在上下摆动双臂，如同小鸟摆动翅膀一样。人体的线条清晰而简约，但脸部的处理却有些不同。脸部画得要更深刻一些，阴影处画得更富有戏剧效果：这是一张怒视前方的脸。
我有时会猜想这个《维特鲁威人》是否就是作者的自画像。仔细想想也许不是，因为该素描作于1490年，而画中人看起来远不只38岁。另一个可能就是，这张脸解释了随后文字中描述的人体比例，比如发根到眉毛的距离等于下巴尖端到嘴部的距离。从这个意义上讲，这张脸是完美的，起到了示范作用。然而这幅画似乎是对上述抽象的生物几何学对称规律的完美诠释，因此圆圈中这个表情严肃的人似乎应该是个大人物，而不是无名小卒。他眼眶深陷，目光犀利，一头浓密而卷曲的长发，头发从中间分开。至少我要说这幅《维特鲁威人》带有自画像的成分，这体现了自然和谐的人，同样也体现了惟独能理解这些真理的人——艺术家、解剖学家、建筑家列奥纳多·达·芬奇。
