Come anatomista Stenone scoprì il dotto parotideo (dotto di Stenone); a lui spetta anche il merito della corretta interpretazione della funzione ghiandolare e della distinzione tra ghiandole secernenti e linfonodi. Dimostrò che il cuore è un muscolo, e non la fonte del calore o la sede dell'anima. Interpretò correttamente le circonvoluzioni cerebrali come sede delle funzioni cognitive superiori, ponendosi in contrasto con le allora dominanti teorie cartesiane. Scoprì la funzione delle ovaie e delle tube uterine.