Основные научные работы Везалия посвящены нормальной анатомии человека. В 1538 он опубликовал Анатомические таблицы – шесть листов гравюр, выполненных Стефаном Ван Калькаром, учеником Тициана Вечелли. В них он уточнил и пополнил анатомическую терминологию, проиллюстрировал новые данные, опровергающие многовековые заблуждения о строении тела человека. Убедившись в том, что все анатомические тексты Галена, известного римского врача (ок. 130–200 н.э.), основаны на результатах вскрытий животных и, следовательно, не отражают специфики анатомии человека, Везалий решил предпринять исследования, опирающиеся только на экспериментальное изучение тела человека. Итогом его работы стал знаменитый трактат О строении человеческого тела (De humani corporis fabrica, 1543), состоящий из 7 книг. Наиболее точно описаны скелет, мышцы, сердце и мозг. В трактате опровергается представление о том, что в перегородке между желудочками сердца имеется отверстие; это подготовило почву для последующего открытия большого и малого кругов кровообращения. Что же касается кровеносных сосудов и нервной системы, то здесь в трактате сохраняются традиционные представления. Несмотря на свои недостатки, Fabrica является эпохальной работой в истории науки, так как данное в ней строгое обоснование научного метода требовало теперь от всех анатомов хотя бы на словах выражать приверженность этому методу.