Nozīmīgākie darbi A. Vezālijs profesionālās darbības laikā pētīja vecvecvectēva P. van Vēzela traktātu, kas veltīts vienai no sadaļām Avicennas (Avicenna) medicīnas enciklopēdijā “Medicīnas kanons” (القانون في الطب, al-Qānūn fī aṭ-Ṭibb, 1025). Šis pētījums izdots 1537. gadā.
A. Vezālijs apzinājās, ka ķirurģijas pamatā ir labas anatomijas zināšanas, tāpēc līķu sekciju veikšana bija īpaši svarīga. Pētījumos A. Vezālijs daudz paļāvās uz Galēna (Γαληνός) teorijām, kas pat vēl 16. gs. tika uzskatītas par pareizām un neapšaubāmām. Bet 1540. gadā Boloņas universitātē A. Vezālijs pārstāja sekot Galēna mācībai, izveidoja jaunu līķu sekcijas metodi un uzdrošinājās apšaubīt antīko medicīnu. Balstoties jaunajās zināšanās, A. Vezālijs izveidoja atlantu “Seši anatomiski attēli” (Tabulae Anatomicae Sex) ar sešiem anatomiskiem, studentiem paredzētiem attēliem, un lielā pieprasījuma dēļ 1538. gadā tas tika publicēts. Nedaudz vēlāk – vai nu 1538. gadā, vai 1539. gadā – tika izdots pārskatīts un uzlabots atlants “Anatomiskā mācīšana” (Institutiones anatomicae).
1539. gadā tika izdots asins nolaišanai veltīts traktāts, kas pazīstams ar nosaukumu “Asins nolaišanas vēstule”, kaut gan oriģinālais nosaukums latīņu valodā ir garāks – “Vēstule, kas māca, ka sānu sāpju gadījumā jāgriež paduses vēna labajā elkonī” (Epistola, docens venam axillarem dextri cubiti in dolore laterali secandam). No mūsdienu anatomijas viedokļa lūkojoties, visticamāk, ka ar paduses vēnu domāta rokas īsā ādas vēna.
A. Vezālijs nodarbojās ar Galēna traktātu izpēti un bija pirmais, kurš norādīja, ka Galēna zināšanas cilvēku anatomijā bieži balstītas dzīvnieku anatomijā. Pēc šī pētījuma 1541. gadā izdots traktāts “Galēna darbi” (Opera Galeni).
Nozīmīgākais A. Vezālija darbs “Par cilvēka ķermeņa fabriku, septiņas grāmatas” (De Humani Corporis Fabrica, libri septem) pirmo reizi publicēts 1543. gadā, un tas veidots pēc Padujas universitātē docētajām lekcijām un veiktajām līķu sekcijām. Traktāts ievērojams ne tikai precīzo anatomisko struktūru un orgānu aprakstu dēļ, bet arī ilustrāciju dēļ. Dažos avotos norādīts, ka traktātā bija 273 ilustrācijas. Ilustrācijas gravētas kokā, tāpēc ir ļoti smalkas un detalizētas. Nav skaidru ziņu, kas varētu būt ilustrāciju autors vai autori, taču izteikta hipotēze, ka ilustrācijas veidoja itāļu mākslinieka Ticiāno Večellio (Tiziano Vecellio) skolnieki. Kokgrebumi tika nogādāti Bāzelē, jo A. Vezālijs vēlējās, lai traktāts tiktu publicēts vienā no labākajām tā laika izdevniecībām – Johannesa Oporina (Johannes Oporinus) vadībā. Traktāta pirmā grāmata veltīta kauliem un skrimšļiem, otrā – saitēm un muskuļiem, trešā – vēnām un artērijām, ceturtā – nerviem, piektā – iekšējiem orgāniem un reproduktīvajai sistēmai, sestā – sirdij un elpošanas sistēmai, septītā – smadzenēm un acīm. Traktāts publicēts otro reizi 1555. gadā.
Traktāts īsā laika periodā ieguva atzinību, tāpēc tas tika daudz kopēts. Lielā pieprasījuma dēļ A. Vezālijs jau 1543. gadā. izveidoja traktāta saīsināto versiju “Cilvēka ķermeņa fabrikas grāmatu izvilkums” (De humani corporis fabrica librorum epitome). Saīsinātā versija lētākas cenas dēļ bija pieejama plašākai publikai, un tieši tāpēc A. Vezālijs kļuva slavens visā Eiropā.
Līdz mūsdienām saglabājušies vairāk nekā 700 šā traktāta eksemplāru gan no 1543. gada, gan no 1555. gada izdevuma. Tie glabājas Londonā, Parīzē, Romā, Oksfordā, Kembridžā, Bostonā un Ņujorkā. Viena no kopijām, kas saglabājusies līdz mūsdienām, ir iesieta noziedznieka Viljama Bērka (William Burke) ādā, tā atrodas Džona Heja bibliotēkas (John Hay Library) krājumā, un šo specifisko iesiešanas metodi sauc par antropodermisko grāmatu iesiešanu. Traktāts tulkots dažās modernajās valodās. Latviešu valodā līdz šim nav veikts šā traktāta tulkojums.
1546. gadā izdots traktāts, kas pazīstams ar nosaukumu “Ķīnas saknes vēstule” (“Vēstule par to, kādā veidā un attiecībā jādzer Ķīnas saknes novārījums”, Epistola, rationem modumque propinandi radicis Chynae decocti). Neilgi pēc A. Vezālija nāves 1564. gadā tika izdots traktāts, kas pazīstams ar nosaukumu “Pārbaude” (“Gabriela Falopio anatomisko novērojumu pārbaude”, Anatomicarum Gabrielis Falopii observationum examen). Šis traktāts veidots kā atbilde itāļu ārsta Gabriela Fallopio (Gabriel Fallopius) traktātam “Anatomiskie novērojumi” (Observationes anatomicae), kas izdots 1561. gadā un kurā iztirzāts A. Vezālija darbs “Par cilvēka ķermeņa fabriku, septiņas grāmatas”.