李奧納多達文西熱衷於親身體驗，他是一名天生的觀察者和實驗者，他更喜歡從實驗中推導，而不是從理論中推理。
這一經驗主義的方法再次讓李奧納多領先於時代。他對於思考抽象概念既缺乏天賦，又沒有接受過相應的訓練。憑藉聰明才智，他設計出了各種新奇裝置和巧妙方法來探索自然現象。
例如，他在1510年左右研究人類心臟時，提出了一個假說，當心臟把血泵入主動脈時，血流會形成旋渦，這種旋渦是瓣膜正常閉合的原因，隨後他設計了一個玻璃裝置，以便用實驗驗證自己的理論。
李奧納多不喜歡和理論周旋，他更喜歡那些可以直接觀察和描繪的知識。
神奇，500多年前達文西畫的心臟
李奧納多還經常磨鍊另外兩種有助於科學探索的特質：興趣廣泛、近乎狂熱的好奇心，以及異常強大和敏銳的觀察力。
李奧納多的好奇心就像愛因斯坦一樣，關心的都是大多數人十歲以後就不再感到困惑的現象。對於那些我們一掃而過的事物，李奧納多保持著敏銳的觀察力，這讓他的好奇心如虎添翼。
天空為什麼是藍色的？雲是如何形成的？我們的視線為什麼是直的？打哈欠是怎麼回事？「兩隻眼會同步運動，這究竟是哪條神經支配的？」「描述人在子宮中是如何開始發育的。」
「蜻蜓用兩對翅膀飛行，前一對抬起的時候，後一對落下。」
李奧納多有「非人類的敏銳眼光」。這是他刻意練習的結果。
擅長觀察運動，幫助李奧納多克服了在繪畫中捕捉動態的難題。
李奧納多試圖在藝術創作中，在讓事件定格的同時，又表現出它的動態，最終被輕拂的畫筆轉化為他的藝術作品。
他還將對運動的痴迷投入科學和工程技術的研究中，特別是對鳥類飛行和載人飛行器的研究。
我們都見過飛鳥，但你是否曾駐足仔細觀察它們扇動的翅膀，翅膀上下揮動的速度一樣嗎？
李奧納多觀察了，他的結論是，這個問題的答案取決於鳥的種類。
「有些鳥翅膀落下的速度要快於抬起的速度，鴿子和跟它類似的鳥就屬於這種情況。」
他在筆記中寫道，「另外一些鳥翅膀落下的速度要慢於抬起的速度，比如烏鴉和與它相似的鳥。」
還有一些鳥，比如喜鵲，翅膀升降的速度相同。
從大約1490年開始，李奧納多在隨後的二十多年中，以少見的勤奮研究了鳥類飛行及設計載人飛行器的可能性。
他一共畫了五百多幅草圖，還寫下了三萬五千字的筆記，這些內容分散在十幾本涉及飛行主題的筆記本中。這些努力交織了他對自然的好奇、他的觀察能力和工程技術才能。
經過二十年的觀察，李奧納多決定將所有的筆記編纂成書。其中大部分手稿都集中在一本有十八張對開紙的筆記本中，現在被稱為《鳥類飛行手稿》。
更有預見性的是，他的研究還暗示了兩百多年後才為人所知的伯努利原理：當空氣（或任何流體）流速加快的時候，它產生的壓力會減小。