עד הגילוי של החלקיקים התת-אטומיים ומכניקת הקוונטים המושלת בהם, רבים מרעיונותיו הספקולטיביים של לייבניץ על היבטים של הטבע שאינם ניתנים לרדוקציה לסטטיקה ודינמיקה השפיעו במידה מועטה. לדוגמה, השערתו כי המרחב, הזמן והתנועה הם יחסיים ולא מוחלטים, היא כיום אבן יסוד בקוסמולוגיה המודרנית, ולייבניץ כתב: "לגבי דעתי, אני טענתי יותר מפעם אחת, שאני סובר כי המרחב הוא משהו יחסי בטבעו, כלומר שהוא דרגה של קיום סימולטני של ישויות, באותו אופן שהזמן מיוצג על ידי רצף של אירועים".
הדעות של לייבניץ עמדו בניגוד להשקפותיו של ניוטון. לפי התורה של ניוטון, מרחב וזמן קיימים בזכות עצמם, כישויות נפרדות. היחסיות של לייבניץ לעומת זאת, מתארת את המרחב והזמן כמערכת של יחסים שקיימים בין עצמים. בהתכתבויותיו עם סמואל קלארק טען לייבניץ שהמרחב והחומר שבו, על אף שהם שונים, הינם בלתי נפרדים, וש"מרחב מוחלט", המתקיים בנפרד מתכולתו החומרית, הוא חסר משמעות. עלייתה של תורת היחסות הכללית וההתפתחויות שלאחריה בהיסטוריה של הפיזיקה הציבו את השקפותיו של לייבניץ באור חיובי יותר.
הוויכוח המדעי שניטש בין לייבניץ וניוטון עסק לא רק בתיאור המרחב והזמן, אלא התרחב עד מהרה למישורים מדעיים רבים נוספים. בעוד שבשנותיו המוקדמות אימץ לייבניץ את רעיונותיה של האסכולה האטומיסטית וקיבל באהדה רבה את הפילוסופיה המכניסטית, מאוחר יותר בחייו הוא ראה רבות ממסקנותיה כמנוגדות לתפיסת עולמו על דרכי פעולתו של הטבע. לייבניץ התנגד להיבטים מסוימים של התפיסה הניוטונית את האטומים, כמו למשל ראיית האטומים כ"בלתי ניתנים לחלוקה" ו"קשיחים במידה אינסופית". הוא דחה הנחות אלו על בסיס טענתו כי הן עומדות בסתירה לעקרון הרציפות - שכן התנגשויות של אטומים כאלה זה בזה יהיו בהכרח התנגשויות אלסטיות מיידיות ואילו "הטבע לא עושה קפיצות".
אחד הפרויקטים המרכזיים של לייבניץ היה להחיות מחדש את תורת הכבידה של ניוטון כתאוריית מערבולות. מכתביו וממכתביו של לייבניץ ידוע כי התנגד לרעיונותיו של ניוטון בדבר הכבידה, וטען כי לשום כוח אין לייחס סגולות נסתרות, כמו משיכה בין גופים ללא מגע. אף על פי כן, הפרויקט של לייבניץ התקדם מעבר לניסיון זה, שכן בלבו עמד הניסיון להסביר את אחת הבעיות הקשות בפיזיקה, זו של הקוהזיה של החומר. התפיסה של לייבניץ את מבנה החומר הייתה מורכבת וקשה להבנה בעיני בני דורו, אולם הדרך הפשוטה ביותר להבינה - עד כמה שהדבר מזמן אי דיוקים היסטוריים ומדעיים - היא לנקוט בגישה אנכרוניסטית. לייבניץ יצא במאמרו "היפותזה פיזיקלית חדשה" מ-1670 נגד תמונת "החומר הפסיבי" המרכזית להשקפת העולם הקרטזית ותמך בתמונה דינמית של מבנה החומר כהסבר ל"תאחיזת החומר". הוא הציע לחקור את המבנה הנסתר והבלתי נדלה של החומר כאמצעי לגלות את המקור האמיתי לתופעות השונות. התפתחותה של הפיזיקה התת-אטומית במהלך מאה ה-20 עלתה בקנה אחד עם השקפה זו, ובמסגרתה הוכח שהאטום אינו בלתי חדיר ונחשפה האמת הדינמית הבסיסית העומדת ביסוד מבנה החומר.
כלל לייבניץ לנגזרות של מכפלות משמש כצעד חשוב בהוכחות רבות בתחומים מגוונים בפיזיקה. עקרון זהות הסמויים במכניקת הקוונטים. אלו שתומכים בפילוסופיה דיגיטלית, כיוון חדש יחסית בקוסמולוגיה, גם רואים בלייבניץ מעיין אב מייסד של הפילוסופיה.
ה-vis viva
"הכח החי" (בלטינית: vis viva) הוא mv2, פעמיים האנרגיה הקינטית של הגוף. לייבניץ סבר כי האנרגיה הכוללת נשמרת במערכות מכניות מסוימות, ועל כן החשיב את האנרגיה כמוטיב פנימי "מולד" של החומר. טענה זו נתפסה כמתחרה בהשקפה על מרכזיות חוק שימור התנע שהחזיקו בה ניוטון באנגליה ודקארט בצרפת, ועל כן נדחתה. כיום ברור שגם התנע וגם האנרגיה נשמרים, ושתי הגישות משלימות זו את זו.
תרומות אחרות לפיזיקה
לייבניץ פרסם מאמרים חשובים במכניקה. בהמשך לעבודתו החלוצית של גלילאו גליליי על חוזק קורות מספרו "שני המדעים החדשים", פרסם לייבניץ מספר מאמרים מאירי עיניים בתורת האלסטיות שעסקו בכפיפתן של קורות אופקיות שעל הקצה החופשי שלהם תלויה משקולת. תוך שהוא מיישם את הכלים החדשים של האנליזה, לייבניץ תיקן במאמרים אלו מספר היבטים בטיפולו המקורי של גלילאו בבעיה, במיוחד אלו שלא עלו בקנה אחד עם תוצאות ניסוייו של אדם מריוט. בתחום האופטיקה, במחקר המודרני נמצא כי הוא גילה את עקרון מאופרטיוס (מקרה פרטי של עקרון הפעולה המינימלית) ותוצאות שונות הקשורות בו בסביבות 1707, כ-37 שנים לפני עבודתם של מאופרטיוס ואוילר בתחום.
מדעי טבע אחרים.
לייבניץ הציע כי לכדור הארץ יש ליבה מותכת, טענה שהוכחה מאוחר יותר כנכונה בגאולוגיה המודרנית. באמבריולוגיה הציע שאורגניזמים הם שילוב אינסופי של מבנים פנימיים. במדעי החיים ובפלאונטולוגיה הוא ביצע מחקר על אנטומיה השוואתית ומאובנים. בזכות גישתו החלוצית בחקר מאובנים כפי שהופיעה באחת העבודות המרכזיות שלו בנושא, "Protogaea", נחשב לייבניץ לאחד מאבות הפלאונטולוגיה והספלאולוגיה (חקר המערות). "Protogaea" היא ניסיון שאפתני לתאר את התהליכים שעיצבו את כדור הארץ, ולייבניץ קיבץ בה תצפיות והשערות רבות על היווצרות כדור הארץ ותוואי הקרקע, על פעולת האש והמים, היווצרות סלעים ומינרלים, מקורם של מלחים, היווצרות של מאובנים וזיהויים כשאריות של יצורים חיים. "Protogaea" מילאה תפקיד חשוב בהתפתחות מדעי כדור הארץ במאה ה-18, אולם אף על פי שאתגרה חלק מהתפיסות המדעיות הישנות בנוגע להיסטוריה של כדור הארץ, היא נעדרת לוח זמנים גאולוגי עבור התהליכים המתוארים בה, ולכן נתפסת כיום רק כחלק מהפרהיסטוריה של מדע הגאולוגיה (בשונה מפריצות הדרך המשמעותיות יותר של ג'יימס האטון בשלהי המאה ה-18).
ברפואה, הוא האיץ בפיזיולוגים של התקופה - באמצעות מספר תוצאות - לבסס את התאוריות שלהם על תצפיות השוואתיות מפורטות ועל ניסויים, ולהבדיל בין אמיתות מדעיות רפואיות מבוססת היטב לנקודות מבט מטאפיזיות. בהקשר זה ידועה הבחנתו החדה בין גופים הבנויים מחומר אורגני - או בשפתו שלו מכונות של הטבע (machines of nature - divine machines), ומכונות מלאכותיות (artificial machines), הבחנה שהיא פילוסופית במהותה, אך שיש בה לחזות התפתחויות ותגליות רבות בביולוגיה ובחקר מבנה האורגניזם. למשל, לייבניץ כתב כי הגוף הטבעי הוא אוטומט שברא אלוהים ושהוא שונה מכל מכונה שיצר האדם, וזאת בכך שלכל חלק זעיר בגוף האנושי יכולת עצמית משלו, מורכבת לאין שעור ואינו מהווה חלק מוגבל במכונה גדולה. לטענתו, כל חלק זעיר בגוף מכיל את המרשם של הגוף השלם - הבחנה שניתן לראות אותה כחיזוי של גילוי הדנ"א, המצוי בכל תא ומכיל את המידע על הגוף כולו. גם התאוריה שלו על אינדיבידואליות מקוננת (באנגלית: Nested Individuality) רלוונטית לביולוגיה, והיא רלוונטית אף יותר לתחום הפסיכולוגיה.
פסיכולוגיה.
בפסיכולוגיה, לייבניץ הציג את הרעיון של תת-מודע, ועשה את ההבחנה היסודית בין מצבים מודעים ומצבים לא מודעים. פסיכולוגיה הייתה מוקד עניין מרכזי של לייבניץ, ולחלק ניכר מהעבודה של לייבניץ היה השפעה רבה על התפתחות התחום. הוא כתב על נושאים פסיכולוגיים מגוונים: קשב ומודעות, זיכרון, למידה (אסוציאציה), אינדיבידואליות נוצרת והדינמיקה הכללית של אבולוציה. הדיונים שלו ב"מאמרים חדשים על התבונה האנושית" ו"המונאדולוגיה" לעיתים קרובות נשענים על תצפיות מחיי היום יום כמו התנהגותו של כלב או הרעש של הים, או על אנלוגיות אינטואיטיביות לתהליכים פיזיים ונפשיים (כמו הפעולה המסונכרנת של שעונים או גלגל האיזון של שעון). הוא גם פיתח פוסטולטים ועקרונות פסיכולוגיים: מהרצף של התפיסות הבלתי מובחנות ועד לאפרספציה (Apperception), והקבלה פסיכופיזית מנקודת המבט של סיבתיות ותכליתיות: "נשמות פועלות לפי חוקי התכליות, דרך שאיפות, קצוות ומשמעויות. גופים חומריים מצייתים לחוקי הנסיבתיות האפקטיבית, דהיינו חוקי תנועה. ושני התחומים הללו, זה של סיבות יעילות וזה של תכליות, מתקיימים בהרמוניה אחד עם השני". העמדה האפיסטמולוגית של לייבניץ - כנגד ג'ון לוק והאמפיריציזם האנגלי, בולטת במיוחד בהקשר של עבודתו על פסיכולוגיה - "דבר אינו נמצא באינטלקט שלא היה קודם בחושים, מלבד האינטלקט עצמו". לשיטתו, עקרונות שאינם נוכחים ברשמים החושיים וניתנים לזיהוי מהתבוננות מעמיקה בתפיסה והמודעות האנושית כוללים היסקים לוגיים, קטגוריות של המחשבה, את עקרון הסיבתיות ועקרון התכליתיות (טלאולוגיה).
אף על פי שהוגים שקדמו לו (כדוגמת אוגוסטינוס, מישל דה מונטן ודקארט) שיערו השערות על זכרונות לא נגישים ופעולות שנעשות בהיעדר מודעות, מעולם לפניו לא זכה נושא התהליכים הלא מודעים לדיון כה מעמיק ומפורט. אמונתו החדשנית של לייבניץ כי תהליכים לא מודעים יכולים להטות את תהליך קבלת ההחלטות של בני אדם, השיפוט שלהם ואף את התגבשות הרעיונות במוח, עמדה בניגוד גמור לעמדה הרווחת בתקופה, וזכתה לאשרור מלא במחקרים מודרניים. את העבודה שלו על התאמת תאוריית התודעה לעקרון הרציפות, כמו גם את הבחנותיו בנוגע לשינה, ניתן לראות כתאוריה מוקדמת של שלבי השינה. הוא האמין שעל פי העקרון שתופעות בטבע הן רציפות, זה קרוב לוודאי שלמעבר בין מצבים מודעים למצבים לא מודעים יש שלבי ביניים. אף על פי שרעיונותיו של לייבניץ בנוגע ל-"הרמוניה הקבועה מראש" נדחו על ידי רבים, פסיכולוגים רבים אימצו את רעיונותיו על הקבלה פסיכופיזית (psychophysical parallelism). הרעיונות האלה מתייחסים לבעיית הגוף ונפש, וקובעים כי התודעה והמוח לא משפיעים זה על זה, אלא חיים מראש בהרמוניה.