Приверженность к готическим формам причудливо сочеталась в творчестве Уччелло со страстным увлечением проблемами нового, реалистического искусства. Стремясь к органическому соединению художественных образов с научными данными, Уччелло изучал растения, зверей, птиц, строил пространство по законам математической перспективы. В тоже время жизненность наблюдений, пытливый научный интерес он сочетал со сказочностью, наивностью образов. Картины Уччелло отличаются смелостью передачи движений, удачно выполненными ракурсами и тщательною выпискою деталей, в особенности животных, лошадей и птиц (отсюда - прозвище художника; uсcello - птица).

Три картины «Битва при Сан-Романо» относятся к позднему периоду творчества художника и датируются приблизительно 1456 годом. Картины были заказаны Козимо Медичи в честь победоносной для флорентийцев схватки с сиенцами. Эти картины очень динамичные, звучные по цвету, в них совершенная геометрия форм переднего плана сменяется вдали очаровательным, не относящимся к сюжету фоном с яркими сказочными деталями. В «Битве при Сан-Романо» уже присутствует образ ренессансного героя, одним из первых создателей которого стал Уччелло, его работы стоят у истоков батального жанра в европейском искусстве нового времени.
Позже сюрреалисты увидели в нем "художника-лунатика". В картинах с изображением битвы при Сан-Романо четкое разграничение планов и геометрическая стилизация тел приостанавливают и парализуют движение воинов, словно запертых в свои металлические доспехи, и придают всей композиции тревожный характер, который действительно напоминает нечто сюрреалистическое.

В настоящее время картины, посвященные Битве при Сан-Романо находятся в Уффици, в Лувре и в Национальной галерее в Лондоне.

Первым крупным произведением Уччелло был выполненный в технике фрески конный портрет английского кондотьера сэра Джона Хоквуда («Джованни Акуто» 1436 Флоренция собор), написанный в 1436 в соборе Санта Мария дель Фьоре во Флоренции. Мастер придал подчеркнуто героическое звучание своему замыслу, смело упростив формы, ограничив колористическую гамму и приблизив ее к естественному цвету каменной скульптуры. Сходные качества обнаруживаются в цикле фресок «История Ноя» в церкви Санта Мария Новелла во Флоренции. Именно в этот период Уччелло обратился в своем творчестве к открытой незадолго до того системе линейной перспективы. Скульптурная очерченность контуров в его композициях отражает влияние Донателло, которого он сопровождал в Падую в 1444.
Его кисти принадлежат эскизы витражей в куполе флорентийского собора с изображением Воскресения и "Рождества" (1443-1445), неполный цикл фресок "Сцены из монашеской жизни" (1440-1445 г. Флоренция. Церковь Сан-Миньято аль Монте). Фреска "Рождество" (ц. Сан-Мартино делла Скала); "Битва св. Георгия с драконом" (Париж музей Жакмар-Андре и Лондон Нац. гал.); "Охота" (Оксфорд музей Ашмола); "Чудо с остией" (1467- 1469 Урбино Нац. гал. Марке).
Впоследствии Уччелло работал в Падуе (фрески в Каза-де-Витали) и в Урбино, где им написаны в 1468 г сцены из легенды о похищенном монстранце. В луврском музее - любопытный портрет работы Уччелло, изображающий его самого вместе с Джотто, Донателло, Брунелески и Дж. Манетти.

Паоло Уччелло несомненно один из самых своеобразных мастеров флорентийского Возрождения. Его произведения часто противоречат друг другу. Их объединяет общий интерес к перспективе, в тоже время скульптурная и монументальная трактовка в "Истории Ноя" сосуществует с характерным изяществом "Охоты" или "Джованни Акуто"

Паоло Уччелло умер во Флоренции в 1475 году.