vignette|redresse=1.5|droite|alt=Une page d'un manuscrit sur laquelle sont portés plusieurs dessins techniques et leurs commentaires.|Une page du Codex Atlanticus sur des systèmes d'irrigation, rédigé et dessiné par Léonard de Vinci entre 1480 et 1482 (Milan, bibliothèque Ambrosienne, ).
La science et l'ingénierie sont deux domaines, au-delà des arts plastiques, dans lesquels Léonard de Vinci s'est illustré à travers des recherches et dessins et dont témoignent ses carnets et projets de traités.
Si sa motivation première est artistique , il est entraîné dès les dans des études aux directions variées, devenant ainsi l'archétype des ingénieurs-artistes polymathes de la Renaissance : anatomie humaine et comparée, mathématiques et particulièrement géométrie, botanique et géologie, optique et astronomie, architecture, urbanisme et cartographie, machines de guerre ou volantes, ingénierie, mécanique générale ainsi qu'hydraulique.
Participant à la Renaissance italienne, Léonard de Vinci se situe à ce moment charnière où les savants perçoivent, sans pour autant parvenir à les dépasser, les limites des théories scientifiques et l'inefficience des technologies contemporaines, héritées de l'Antiquité et encore ancrées dans le Moyen Âge. Se revendiquant scientifique et surtout ingénieur, il ne bénéficie cependant que d'une formation sommaire, puisqu'il ne fréquente que deux ans une école pour futurs commerçants. Il est ensuite intégré au sein de l'atelier d'Andrea del Verrocchio, lui-même artiste polymathe, qui lui fait découvrir la peinture et la sculpture et l'initie également aux techniques permettant de les mettre en œuvre, comme la fonderie, la métallurgie ou l'ingénierie. En outre, l'importance et l'intensité de son travail dans chacun des domaines envisagés le conduisent presque invariablement à envisager la création d'un traité. Néanmoins, pas un seul n'est mené à son terme du fait de sa tendance à l'inachèvement.
Diversement reconnu par ses contemporains, son parcours scientifique et d'ingénieur n'est que tardivement redécouvert au tournant des . D'abord considérée comme celle d'un génie absolu, inégalée et isolée parmi ses contemporains, la figure de Léonard est, au mitan du , fortement remise en question. Ses limites sont dès lors mises en avant, en particulier ses bagages théorique, du fait de ne pas avoir fréquenté les universités, et notionnel, par méconnaissance du grec et du latin alors porteurs du vocabulaire technique et scientifique. À l'orée du , Léonard de Vinci est replacé dans son contexte : il est considéré comme un savant de son temps, héritier des connaissances et des croyances médiévales, et dont le travail bénéficie des avancées de contemporains comme celles de Filippo Brunelleschi, Giuliano da Sangallo ou Francesco di Giorgio Martini.
Bien que ses apports soient relativisés, les historiens des sciences lui reconnaissent d'avoir introduit l'utilisation du dessin technique en tant que support de mémoire et pédagogique, d'avoir poussé à leur perfection les techniques de représentation et de les avoir appliquées à tout sujet technologique. De même, son travail se distingue par son caractère systématique et par une attention aussi aiguë pour le détail que pour l'ensemble. Enfin, ses recherches le distinguent de ses contemporains par un souci de rentabilisation économique du travail par la recherche systématique de l'automatisation des mécanismes.
Contexte : état des sciences et technologies à l'époque de Léonard de Vinci
vignette|droite|redresse=0.75|alt=|Francesco di Giorgio Martini, un « artiste universel » dont les écrits marqueront Léonard de Vinci.
À la Renaissance, les sciences et techniques sont en crise. Même si elles se situent en continuation des avancées scientifiques et techniques médiévales, elles-mêmes héritées de la tradition grecque antique puis arabe et de la technologie de la Rome antique, les scientifiques et ingénieurs du en perçoivent néanmoins les limites : des méthodes d'enseignement universitaires marquées par la passivité des enseignants et des étudiants ; des théories scientifiques contredites par des découvertes, tel le modèle de la science physique aristotélicienne ; une démarche scientifique ni théorisée ni fixée. De même, dans l'ingénierie, la méthodologie compartimente encore la théorie et la pratique ; de plus, les techniciens ne représentent que très peu leurs recherches graphiquement et, comme dans les manuscrits grecs puis arabes du , donnent la prépondérance à la description écrite.
Or, la Renaissance voit émerger un questionnement sur cette démarche scientifique et technique auquel répondront les scientifiques et techniciens du siècle suivant, permettant ainsi la Révolution scientifique du : décloisonnement du savoir pratique et savoir théorique, méthodologie renouvelée, élaboration d'un « langage scientifique » adapté De fait, les scientifiques et techniciens de la Renaissance restent attachés aux théories antérieures et pratiques issues de l'antiquité gréco-romaine et du Moyen Âge arabe : s'ils réalisent que certaines théories sont erronées, ils ne parviennent pas à les réformer, faute d'un ensemble scientifique construit et cohérent ; tout au plus font-ils émerger des principes que seuls leurs suiveurs sauront exploiter pour en bâtir de nouvelles.
Évoluant dans ce cadre, Léonard de Vinci se définit lui-même et agit comme artiste, ingénieur, architecte et scientifique. Mais il n'est pas le seul de son époque. Sont ainsi notamment connus parmi ses plus célèbres devanciers Guido da Vigevano (vers 1280 - après 1349), Konrad Kyeser (1366 - après 1405), Jacomo Fontana (dit « Giovanni ») (1393-1455), Filippo Brunelleschi (1377 - 1446), Mariano di Jacopo (dit « Taccola » qui s'autoproclame « l'Archimède siennois ») (1382 - vers 1453) et parmi ses contemporains Bonaccorso Ghiberti (1451 - 1516), Giuliano da Sangallo (1445 - 1516) et surtout le peintre, sculpteur, architecte pour bâtiments civils, militaires et religieux, urbaniste, mécanicien et ingénieur militaire siennois Francesco di Giorgio Martini (1439 - 1501). Cette effervescence dans la péninsule italienne fait que les scientifiques et ingénieurs italiens bénéficient d'un grand prestige dans les autres pays européens : c'est ainsi que le roi , et avant lui les Français de pouvoir en Italie, s'attachent à les faire venir auprès d'eux.
Biographie au prisme de ses activités scientifiques et ingénieriales
Formation à l'atelier de Verrocchio à Florence (1464-1482) vignette|redresse=0.75|droite|alt=Photographie d'une coupole d'un édifice religieux avec des visiteurs à sa base et surmontée d'une boule avec une croix.|La commande à Verrocchio entre 1468 et 1472 de la boule de bronze destinée à orner la coupole de la cathédrale florentine de Santa Maria del Fiore amorce certainement l'intérêt de Léonard pour les questions d'ingénierie.
Après deux années passées dans une (une « école d'arithmétique ») délivrant des notions de base de mathématiques et de lecture, Léonard de Vinci entre vers 1464 à l'âge d'environ 12 ans en apprentissage dans la (l'atelier) d'Andrea del Verrocchio. Il s'agit des deux seules formes de scolarité que suit le jeune homme. Son apprentissage se fait dans le cadre d'un atelier polymathe : son intérêt pour le domaine technologique apparaît dans des notes contemporaines de la commande en 1468 et de la pose en 1472 de la boule de bronze de près de commandée à Verrocchio et destinée à orner le sommet de la coupole de la cathédrale Santa Maria del Fiore à Florence. C'est peut-être à cette occasion que, en tant qu'apprenti de Verrocchio, il peut observer les engins de levage inventés par Filippo Brunelleschi, dont il reprendra plus tard les plans. Ses premiers dessins à visée technique remontent à 1475 et ses premiers travaux scientifiques commencent dès les années 1480.
Les années milanaises (1482-1499)
vignette|gauche|alt=Dessin représentant un homme vu en pied dont les traits superposent deux positions : les membres tendus inscrits dans un carré et les membres écartés inscrits dans un cercle.|Léonard de Vinci, lHomme de Vitruve, 1491, Venise, Galeries de l'Académie, .
En 1482, Léonard de Vinci quitte Florence et entre au service de Ludovic Sforza, qui dirige le duché de Milan. Dans une lettre adressée à ce dernier, il se présente comme ingénieur capable de construire des ponts, des armes nouvelles destinées à prendre des places fortes, des véhicules blindés et des aqueducs.
Vers 1485-1490, il dessine une des premières études d'anatomie : il s'agit d'un schéma représentant les principaux organes et vaisseaux sanguins alors qu'il n'a jamais disséqué de cadavre. En , il prépare l'écriture d'un ouvrage sur l'anatomie humaine qu'il intitulerait De la figure humaine dans lequel il se propose d'étudier les différentes proportions du corps humain. C'est ainsi qu'il dessine en 1491 lHomme de Vitruve sur base des écrits de l'architecte et écrivain romain Vitruve.
À cette même période, Léonard se consacre à des études technico-scientifiques, qu'elles concernent la mécanique (horloges et métiers à tisser) ou les mathématiques (arithmétique et géométrie), qu'il note scrupuleusement dans ses carnets, certainement afin d'en tirer des traités systématiques.
En , il participe à un concours pour la construction de la tour-lanterne de la cathédrale de Milan et y présente une maquette courant -. Son projet n'est pas retenu, mais il semble qu'une partie de ses idées ait été reprise par le vainqueur du concours, Francesco di Giorgio Martini. Les études afférentes à ce travail constituent les recherches les plus approfondies et les plus complètes que Léonard propose au cours de sa carrière. De fait, la moitié de sa production de dessins architecturaux est faite entre 1487 et 1490. Il délaisse ensuite le sujet pour de longues années. Dans les années 1490, il devient avec Bramante et Gian Giacomo Dolcebuono un ingénieur urbaniste et architectural de premier plan. De fait, les archives lombardes lui accolent volontiers le titre d'.
En 1496, il fait la rencontre du mathématicien Luca Pacioli qui devient dès lors son ami ainsi que son guide dans le domaine. En 1498, il illustre de polyèdres l'ouvrage de ce dernier, le De divina proportione.
Années d'errance (1499-1503)
En 1499, à la suite de la conquête de Milan par les troupes françaises, Léonard de Vinci quitte la ville pour se rendre dans plusieurs régions italiennes successives. Durant cette période, ses travaux en anatomie se raréfient pour des raisons qui demeurent inconnues.
S'il ne reste que peu de temps à Venise , il y est employé comme architecte et ingénieur militaire pour préparer la défense de la ville qui craint une invasion ottomane. Paradoxalement, il propose, deux ans plus tard, ses services d'architecte au sultan turc, Soliman le Magnifique, qui n'y donne pas suite.
Seconde période florentine (1503-1506)
vignette|redresse=0.75|droite|alt=Statue représentant un jeune homme debout, nu.|La statue du David de Michel-Ange a certainement contribué à pousser Léonard à reprendre ses études sur l'anatomie humaine (Michel-Ange, 1501-1504, Florence, Galleria dell'Accademia, ).