Leonardo nasce a Vinci, in Val d'Elsa, nel 1452 dal notaio Ser Piero e da una certa Caterina. In data imprecisata viene portato dal padre a Firenze e intorno al 1469 entra nella bottega di Andrea del Verrocchio, uno dei più affermati artisti del tempo.

La sua prima opera autografa è un disegno datato 5 agosto 1473 raffigurante una veduta della Val d'Arno (oggi al Gabinetto dei disegni e delle stampe degli Uffizi), che già di per sé costituisce una novità nell'ambito della concezione artistica del tempo, in quanto il paesaggio, ritratto dal vero, viene ad assumere il ruolo di protagonista e non ha più il valore di una mera composizione "ideale" ed armoniosa di elementi diversi, realizzata per far da sfondo alle figure rappresentate nella scena.
Leonardo, infatti, studia con un interesse assolutamente innovativo per la sua epoca tutti i fenomeni naturali, che indaga con profondo e acuto spirito di osservazione: suo scopo principale è quello di conoscere la realtà in tutti i suoi aspetti, fatto che lo porta ad essere attivo nei campi più disparati e a negare valore a quelle scienze che non si fondano sull'esperienza.
Al periodo della prima formazione fiorentina risale la collaborazione con il Verrocchio per la realizzazione del dipinto raffigurante il Battesimo di Cristo (Firenze, Uffizi), realizzato quando ancora Leonardo è attivo nella bottega del pittore fiorentino: nelle parti attribuibili a lui (l'angelo a sinistra e parte del paesaggio dello sfondo) già emerge prepotentemente la grande personalità dell'artista, così giovane ma già profondamente distante dal suo maestro, nella ricerca degli effetti atmosferici e di una più decisa fusione delle figure nello spazio.
Degli stessi anni sono anche la celebre Annunciazione degli Uffizi, uno dei capolavori assoluti della pittura su tavola, in cui l'armonica fusione di figure e paesaggio raggiunge un equilibrio perfetto, e l'incompiuta Adorazione dei Magi, commissionata nel 1481 e caratterizzata da un'impostazione del tutto nuova e originale nella forza espressiva dei volti e nella concitazione drammatica dei gesti dei personaggi.
Nel 1482 Leonardo si trasferisce a Milano, alla corte di Ludovico il Moro, dove si propone sia come artista che come ingegnere civile e militare e dove rimane fino al 1499. Qui realizza alcuni dei suoi più celebri capolavori, quali la Vergine delle rocce (ora a Parigi, Louvre, poi replicata nella seconda versione della National Gallery di Londra); il Ritratto di dama con l'ermellino (Cecilia Gallerani) (Cracovia);
il progetto per il monumento equestre per Francesco Sforza, padre di Ludovico; il dipinto murale con l'Ultima cena del refettorio di S. Maria delle Grazie a Milano (1495-98), opera molto degradata ma di grande fascino e di estrema suggestione.
La sua intensa attività creativa prosegue anche negli anni successivi, che si dividono tra il rientro a Firenze e un secondo soggiorno a Milano: opere emblematiche di questo periodo sono il cartone con S. Anna, la Madonna, il Bambino e S. Giovannino (Londra, National Gallery) ed il corrispondente dipinto (incompiuto) raffigurante S. Anna, la Madonna e il Bambino con l'agnello (Parigi, Louvre), in cui il nebuloso e aereo paesaggio dello sfondo si collega a quello raffigurato alle spalle della celebre Gioconda, il ritratto a cui Leonardo rimarrà sempre molto legato e che porterà con sé anche in Francia (dove passerà, in seguito, al Museo del Louvre).
Prima di recarsi a Roma, presso il papa Leone X (1513-1516), Leonardo riceve a Firenze, insieme al giovane Michelangelo, un'importante commissione pubblica, la decorazione della Sala del Maggior Consiglio di Palazzo Vecchio. Per questa impresa Leonardo realizza il cartone (e parte del dipinto) con la Battaglia di Anghiari, purtroppo perduta e nota solo attraverso alcune copie, dalle quali è possibile dedurre la straordinaria potenza e la concitazione drammatica delle figure rappresentate. Negli ultimi anni della sua vita Leonardo si trasferisce definitivamente presso la corte del re di Francia Francesco I, dove muore nel 1519.