Som anatom var han en av de første som brukte koronale deler av hjernen og brukte alkohol under disseksjon. Han beskrev locus coeruleus, locus niger i hjernen i 1786, og båndet til Vicq d'Azyr, et fibersystem mellom det ytre granulærlaget og det ytre pyramidelaget i hjernebarken, samt Mamillo-thalamikanalen, som bærer navnet hans. Hans systematiske studier av hjerneformene ble en klassiker og Vicq d'Azyr var en av de første nevroanatomene som nevnte gyri. Han studerte de dypgrå kjernene i telencephalonen og basalgangliene. Han deltok i Second Encyclopedia. Under den franske revolusjonen ble han valgt til Commission temporaire des arts, hvor han fikk oppgaven med å bestemme fremtiden for anatomisk utdannelse i Frankrike.