达芬奇30岁左右开始记录自己的艺术创作心得和科学研究成果，准备写绘画论、力学、解剖学三部著作，但遗憾的是未能实现，留下了很多笔记。达芬奇的画论笔记根据内容大致可以分为美学理论和绘画基本科学两个部分：前者主要讨论绘画与现实的关系、绘画与其他艺术的关系；后者阐述了透视学、光影学、人体比例和解剖学、人们的动态和表情、自然现象等知识。
达芬奇关于美学思想的笔记是比较绘画和诗、音乐、雕刻等艺术。从古代到文艺复兴时代以前，绘画的地位一直很低，被贬为贵族不屑的“艺术”，是“手工劳动”，是“机械艺术”等。到了文艺复兴初期，这种传统见解依然根深蒂固。
在生产关系发生巨大变化的时代，造型艺术家和手工业者一样属于社会先进阶层，他们大多是聪明的艺术家，对冶炼铸造、人体解剖、几何学、数学也很精通，他们的活动日后成为实验科学的先驱。因此，画家们当然无法忍受卑微的地位，反抗旧的传统观念，达芬奇在绘画的辩护上反映了当时画家的声音。
达芬奇将绘画、音乐、诗歌、几何、天文等所谓的“自由艺术”一一比较，证明绘画绝对不是“机械性的手工”，而是科学、自然的“合法的儿子”，是研究自然、表现科学知识的有效的手段。这是“比较论”的重要主题思想之一。

达芬奇基于“我们所有的知识都来自于感知”的观点，分析绘画与现实的关系，指出自然是绘画的源泉，绘画是自然的模仿者。达芬奇还指出，根据古罗马以来的绘画发展史，画家如果自然获得的话，绘画就会繁荣起来。不采用法律，画自然就衰退了。从哲学和历史两方面说明了画家必须以自然为老师。
达芬奇还说：“画家的心应该像镜子一样，把自己变成对象的颜色，真实地拍摄眼前所有物体的形象。如果你们不是能用艺术再现自然所有形态的多才多艺的手，就应该知道，这不是一个聪明的画家。”。也就是说，绘画是反映在画家内心的自然，是用艺术手段再现的。
达芬奇还指出：“画画的时候，只靠实践和肉眼的判断而不运用理性的画家就像镜子一样，只是抄袭眼前放置的东西，但是什么也不知道。”。（以上引用自《达芬奇论绘画》）达芬奇要求画家不仅要依靠感官来认识世界，还要运用理性来阐明自然界的法则。

达芬奇一方面以自然为师，另一方面非常强调理性的重要性，要求画家具备透视学、光影学、人体解剖学等知识，指导创作，忠实地反映自然万物的形态，结合丰富的想像力，创造自然没有的形象。
从达芬奇的作品中可以看到上述观点的具体运用。例如，“岩间圣母”不仅准确、生动地描绘了岩石的溶洞和地形，还巧妙地运用光线，将圣母等形象作为视觉的中心。作为背景的明亮天空创造了空间的深度，成地衬托了主体人物的形象。圣母的形象更是母爱的化身。
在“之后的晚餐”中，达芬奇通过对每个人的服装、表情、动作的生动描写，充分展示了每个人的个性特征，同时也典型化了耶稣和犹大的形象等人物的性格，成为了善与恶的化身。
另外，达芬奇还热情地讴歌了眼睛和视觉。因为眼睛是人的心灵和外部交流的要冲，是最正确的感觉，所以达芬奇认为以视觉为基础的绘画最适合描绘物体的形态美，最适合揭示自然现象的法则。另外，由于人类大部分的知识来自视觉，以视觉为基础的绘画成为人类认识自然、传达的最有力的手段，成为科学，绘画的任务是艺术性地再现自然。
达芬奇认为画家是自然和人类之间的中间人，是自然创造物的再现者，他的精神必须网罗万象，只能自然地学习。他依靠敏锐的视觉，观察自然和人生，他像镜子一样真实地照映自然的形象，广收集素材，然后除粗取精，在脑中形成一个丰富的形象宝贝，再进行艺术的创造。这一切的基础是画家掌握透视、光影、解剖、动植物学等知识。
达芬奇将研究空间关系的透视单位分成三个：透视、透视、隐藏透视。在总结了前人关于线透视学的成果后，达芬奇结合了许多生动的实例，研究了空气和雾对远景颜色和形状的影响，提出了空气透视（即颜色透视）和隐没透视的学说。
达芬奇研究如何利用空气透视来弥补线透视的不足，认为绘画具有空气透视比雕刻画面更好。画家掌握了空气透视之后，他的画有大气空间，远景和眼睛之间有一种模糊的氛围，加强了空间的深度感。另外，达芬奇从物理光学和生理光学的观点出发，研究人类对物体的视觉印象随着距离的变化而如何变化，要求画家在画画时遵循隐没透视的原则。
为了表现三维空间，达芬奇正在孜孜不倦地研究光影学。在阴影中，达芬奇喜欢丰富的层级，认为物体的形状只有依靠光和影才能出现，利用阴影可以在平面上表现出浮雕的感觉。这是绘画最不可思议的一面。
他的达芬奇开始了明暗转移法。即，图像上的从亮向暗的转移是连续的，没有像烟那样明确的边界。达芬奇的《蒙娜丽莎》和《圣母与圣安娜》是明暗迁移法的典范。传记作家瓦莎莉说，达芬奇的明暗转移法是绘画艺术的转折点。达芬奇还认为，颜色属于光影，物体的颜色与光照和周围物体的颜色有关。这个观点在某种程度上成为了后来法国印象派的色彩理论的开端。
在文艺复兴中坚定不移的人文主义者达芬奇和当时的艺术巨匠一样，对人体的构造进行了极其热情的研究，认为人体是自然界中最完美的。“人是小宇宙”的思想支配了文艺复兴时期的艺术实践。解剖学是真实表现人类形态时必须具备的知识。

达芬奇非常重视解剖学，从维罗奇奥的画坊到晚年研究了40多年，解剖了30多具尸体。达芬奇认为人体解剖是理解人体动态的关键，运动是所有生命的源泉，最能表现生命的意向。
达芬奇指出“人不做的时候的动作、手势、表情一定会适应这个人的思想感情”。因此，他把动态、手势、表情看作是绘画中揭示人物内心世界的手段，《之后的晚餐》是一个精彩的例子。达芬奇这个人体动态理论对后来的艺术理论和实践产生了深远的影响。
在《达芬奇论绘画》中，还讨论了素描和素描的作用，认为这是学习自然的重要手段。对于服装和风景的描写也有自己的见解。可以说是汇集了达芬奇时代绘画艺术成果的百科全书。
达芬奇，这位文艺复兴时期的伟大艺术家，把科学知识和艺术想象有机地结合起来，把当时的绘画表现水平发展到了新的阶段。达芬奇系统地整理了解剖、透视、明暗、构图等细节知识的理论，对之后欧洲的绘画发展产生了很大的影响。
作为哲学家、自然科学家达芬奇，他的哲学思想接近唯物主义，认为自然界的一切都遵循客观的必然规律，在感觉上认识起源。同时达芬奇还指出理论概括的重要性，人们认为

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