Le annotazioni leonardiane più importanti nel campo della geologia sono contenute nel Codice Hammer.
Leonardo ipotizzava l'interno della Terra come una caverna gigantesca piena d'acqua e di qui teorizzava la formazione storica del Mondo. Egli considerava l'origine delle montagne come conseguenza di aggiustamenti della crosta terreste seguiti a crolli della volta della "grandissima caverna" e attribuiva le modificazioni superficiali al movimento delle acque, principalmente all'erosione causata dall'impeto dei fiumi.
Riguardo alla circolazione delle acque, Leonardo si convinse che "l'acqua delli fiumi non dal mare ma dalli nuvoli ha origine", in contrasto con le convinzioni di allora che sostenevano l'esistenza di un complesso sistema di fiumi sotterranei che, defluendo dagli oceani, portavano l'acqua ad alimentare le sorgenti.
il mar di ponto abbassò a circa braccia 1000 nello iscoprire tanta pianura .... ..... s'estendea insino vicino all'Austria, e occupava tutta la pianura, che oggi discorre esso Danubio.
Leonardo non condivise mai l'importanza attribuita al diluvio universale nella preistoria della Terra e riteneva che i resti fossili da lui osservati nelle montagne della Lombardia non potevano essere stati trasportati dalle acque del diluvio, ma dovevano esservi giunti per altre cause, intuendo l'innalzamento dei fondali marini e teorizzando giustificazioni confermate solo molti secoli più tardi.