Wkrótce po jego urodzeniu rodzice wstąpili w związki małżeńskie, ale nie ze sobą. Leonarda, który od najmłodszych lat przejawiał zdolności artystyczne, wychowywał ojciec. Ok. 1467 roku oddał go do terminu u znanego florenckiego rzeźbiarza, malarza i złotnika Andrei del Verrochio. W 1472 roku Leonardo był wzmiankowany jako członek tamtejszego cechu malarzy – zdobywał wówczas pierwsze szlify w tej dziedzinie, co miało z czasem zaowocować pozycją czołowego twórcy renesansu włoskiego. Podczas pobytu we Florencji zetknął się z wybitnym uczonym tej epoki Paolo Toscanellim, który – błędnie oceniając, że Eurazja rozciąga się na 2/3 obwodu Ziemi – przyczynił się do pierwszej wyprawy Kolumba. Znajomość ta mogła rozbudzić zainteresowania naukowe Leonarda, zaś kontakty z rzemieślnikami rozwinęły w nim zainteresowanie techniką. Zbliżając się do trzydziestki, malował obrazy, także dla władcy Florencji Wawrzyńca Wspaniałego z rodu Medyceuszów.
W 1482 roku Leonardo przeniósł się do Mediolanu, którym rządził wówczas Lodovico Il Moro z rodu Sforzów. Książę skorzystał z artystycznych umiejętności Leonarda i z czasem uczynił go nadwornym malarzem. Da Vinci konstruował także urządzenia mechaniczne i organizował uroczystości dworskie, m.in. pokazy ogni sztucznych. W latach 1490 – 1493 zaprojektował wielki konny pomnik ojca władcy i czynił przygotowania do odlania go z brązu, sporządzając gliniany model i wykonując rysunki techniczne umożliwiające tę operację odlewniczą, zachowane w jego spuściźnie. Posąg nie powstał, gdyż przeznaczony nań metal zużyto na odlanie dział. W tym tzw. pierwszym okresie mediolańskim Leonardo osiągnął pełnię malarskiego kun-sztu, tworząc w refektarzu kościoła Santa Maria delle Grazie „Ostatnią Wieczerzę” (1493 – 1497).
Leonardo troszczył się o realizm malowanych przez siebie obrazów, szczególnie trudny do osiągnięcia przy przedstawianiu ciała ludzkiego. Chcąc skutecznie uporać się z tym problemem (czego nie potrafiło wielu współczesnych mu, a także późniejszych malarzy, chowających np. dłonie prezentowanych postaci), podjął około 1487 roku systematyczne studia anatomiczne. Dokonywał w tym celu sekcji zwłok, co było sprzeczne z ówczesnymi normami obyczajowymi i mogło mieć groźne konsekwencje. Starał się przy tym zrozumieć zasady funkcjonowania poszczególnych elementów ciała ludzkiego, a następnie – z ciekawości – także organów wewnętrznych, zwłaszcza serca. Bardzo interesowało go oko ludzkie i mechanizm widzenia. Z czasem rozszerzył owe badania na zoologię (zwłaszcza interesowały go konie) i botanikę, a także na przyrodę nieożywioną – dbał o realistyczne przedstawianie skał (czym na ogół nie przejmowali się inni malarze), badał prądy wodne w rzekach i strumieniach. Dał się w ten sposób ponieść innej pasji – ciekawości poznawczej przerastającej potrzeby artystyczne, które skłoniły go do zainteresowania się otaczającą rzeczywistością. Szkicami i zapiskami dokonywanymi pismem zwierciadlanym (zapewne dla uniknięcia niepożądanej ingerencji) zapełniał stronice licznych notatników (zachowało się około 6 tys. takich kart). Część z nich poświęcona jest rozmaitym urządzeniom technicznym, głównie mechanicznym, istniejącym w jego czasach lub wyimaginowanym. Wykazywał w tym kierunku wiele pomysłowości, wymyślał rozwiązania znacznie wyprzedzające jego epokę. Pod koniec okresu mediolańskiego Leonardo zilustrował swymi rysunkami dzieło matematyka Luki Paciolego „Divina proportione”. Kiedy Francuzi wyparli Sforzę z Mediolanu, Leonardo udał się do Wenecji, gdzie zajmował się odlewaniem dział i umacnianiem fortyfikacji. W 1500 roku powrócił do Florencji. Mniej więcej przez rok był w służbie Cezara Borgii, jako inżynier wojskowy i główny inspektor fortyfikacji w Romanii.
W tym czasie podjął nieudaną próbę zmiany biegu rzeki Arno w pobliżu Pizy. Coraz intensywniej zajmował się mechaniką i matematyką, nadal prowadził badania anatomiczne, studiował mechanikę lotu ptaków i zjawiska związane z przepływem wody, interesował się też meteorologią. No i, oczywiście, malował. W tym czasie powstał jeden z najsłynniejszych obrazów świata, portret Giocondy znany jako „Mona Liza”.
W czerwcu 1506 roku Leonardo ponownie udał się do Mediolanu, gdzie podejmował go, traktując z wielkim uznaniem, gubernator francuski Charles d’Am-bois. Da Vinci został zatrudniony przy budowie systemu kanałów lombardzkich. To wtedy sporządził najznakomitsze ze swych rysunków anatomicznych, zapewne pod wpływem młodego badacza z Pawii Marcantonia della Torre. W tym czasie nabrał też przekonania o roli matematyki w przyrodoznawstwie (pisał: „Nie ma zgoła pewności tam, gdzie nie można zastosować jednej z nauk matematycznych”). Nadal zajmował się hydrologią i meteorologią. Poważnie zainteresował się geologią, studiował też fizjologię człowieka. W tym czasie wypracował własną metodę badań zjawisk przyrody opartą na obserwacji, doświadczeniach i rozumowaniu.
