Leonardo di Ser Piero da Vinci nació en una casa de Anchiano, a tres kilómetros del pueblo toscano de Vinci siendo hijo natural e ilegítimo de Ser Piero da Vinci, un prominente notario florentino. Fue criado en la casa de su abuelo paterno. Más tarde, sus padres tuvieron más hijos, cada uno en sus respectivos matrimonios, lo que le dio a Leonardo un total de 17 hermanos y hermanas, con quienes siempre mantuvo contacto. Padre e hijo se mudaron a la cercana Florencia y el joven recibió la más exquisita educación que la ciudad, centro artístico e intelectual de Italia, podía ofrecer, además de tener acceso a valiosos textos de la biblioteca familiar y de amigos de su padre. Leonardo era elegante, persuasivo en la conversación y un extraordinario músico e improvisador.
Cuando cumplió 15 años, su padre lo envió como aprendiz al taller de Andrea del Verrocchio, el artista más importante de Florencia, escultor, pintor y orfebre. Su apasionada preocupación por al calidad y su interés en expresar la movilidad vital de la figura humana fueron elementos importantes en la formación artística de Leonardo, quien se inició en diversas actividades, desde la pintura de retablos y tablas, hasta la elaboración de grandes proyectos escultóricos en mármol y bronce.
En esta etapa de su formación, el joven también estudió la anatomía humana, participando en la disección de cadáveres de criminales en la facultad médica, realizando observaciones y apuntes, movido por su gran curiosidad.
Entró a formar parte del gremio de pintores de Florencia y aunque a los 20 años ya era maestro independiente, con un estilo propio y original, permaneció como asistente en el taller de Verrocchio, interesándose mucho por descubrir nuevas técnicas para trabajar al óleo. Su reputación crecía y los encargos aumentaban. Se dice que su talento era tal, que Verrocchio decidió ya no pintar más. En busca de nuevos retos y de mejores ingresos, a los treinta años se trasladó a Milán, donde entró al servicio de Ludovico Sforza, Duque de Milán y embajador de Florencia.
El artista se ofrecía como pintor, escultor y arquitecto, además de ingeniero, inventor e hidráulico. Afirmaba que podía construir puentes portátiles, que conocía las técnicas para realizar bombardeos, construir barcos y vehículos acorazados, cañones, catapultas y otras máquinas de guerra.
Estuvo durante diecisiete años en esa ciudad, trabajando en proyectos de todo tipo, tanto artísticos como científicos, en los que el deseo de experimentar era su principal objetivo. Estaba muy interesado en las leyes del movimiento y la propulsión, dedicando sus esfuerzos a la ingeniería militar, desarrollando métodos para disparar catapultas y desviar ríos, sirviendo al Duque como ingeniero en sus numerosas empresas militares y también como arquitecto.
Su estudio en Milán estaba lleno de actividad con sus aprendices y estudiantes, para los cuales escribió los textos que más tarde agruparía en su «Tratado de la Pintura».
La obra más importante del periodo milanés de Leonardo son las dos versiones de la «Virgen de las Rocas» donde aplica el esquema de composición triangular que encierra a la Virgen, el Niño, San Juan y el Ángel, y por otro lado, utiliza por primera vez la técnica del sfumato.
El sfumato es una técnica pictórica que se obtiene por aumentar varias capas de pintura extremadamente delicadas, proporcionando a la composición unos contornos imprecisos, así como un aspecto de antigüedad y lejanía. Se utilizaba en los cuadros del Renacimiento para dar una impresión de profundidad. La invención de esta técnica, así como su nombre sfumato, se deben a Leonardo da Vinci, que la describía como «sin líneas o bordes, en forma de humo o más allá del plano de enfoque».
Este efecto hace que los tonos se difuminen hasta valores más oscuros como en La Virgen de las Rocas (1483-1486), donde ya se considera totalmente logrado y sobre todo en Mona Lisa o el San Juan Bautista (cuadros conservados en el Louvre de París).
Durante dos años trabajó en su obra maestra «La Última Cena«, pintura mural para el refectorio del monasterio de Santa María delle Grazie, en la que recrea un tema tradicional de manera completamente nueva. En lugar de mostrar a los doce Apóstoles aislados, los representa agrupados de tres en tres, dentro de una dinámica composición.

Durante su larga estancia en Milán, Leonardo también realizó otras pinturas y dibujos, la mayoría de los cuales no se conservan; escenografías teatrales, dibujos arquitectónicos y modelos para la cúpula de la Catedral de la ciudad.
Su mayor encargo fue el monumento ecuestre en bronce a tamaño colosal de Francesco Sforza, padre de Ludovico, en el que Leonardo trabajó durante dieciséis años. Sin embargo, en diciembre de 1499, la familia Sforza fue expulsada de Milán por las tropas francesas. Leonardo dejó la estatua inacabada y ésta fue destruida por los arqueros franceses.
Tras la invasión de Milán por las tropas francesas, Leonardo regresó a Florencia para trabajar como ingeniero militar. Por esos años realizó múltiples disecciones, mejorando y perfeccionando su conocimiento de la anatomía.
Viajó un año a Roma y entró al servicio de César Borgia, hijo del Papa Alejandro VI. En su calidad de arquitecto e ingeniero mayor de los Borgia, Leonardo supervisó las obras en las fortalezas de los territorios papales del centro de Italia, viajó con su ejército y diseñó un puente para cruzar el golfo de Estambul, que no llegó a construirse, pero que hoy en día es considerado perfectamente viable por los ingenieros modernos.
Durante su segundo periodo florentino, Leonardo pintó varios retratos, pero el único que se ha conservado es el de la «Mona Lisa«, el más famoso de toda la historia de la pintura, también conocido como «La Gioconda«.
Vivió después tres años en Roma, bajo la protección de Giuliano de Médicis. Se alojaba en el Palacio de Belvedere en el Vaticano, residencia del Papa, ocupándose fundamentalmente de experimentos científicos y técnicos. La única prohibición que le impuso el Papa para sus estudios en anatomía y fisiología humana fue diseccionar cadáveres, lo que lo limitaba bastante. Aunque apartado de la bulliciosa vida social y artística del Vaticano, dominada por Rafael y sus seguidores, era reconocido y honrado por sus logros.
A la muerte de Giuliano de Médici, aceptó la invitación del Rey Francisco I de Francia para trasladarse a su corte de Fontainebleu, como «Primer Pintor, Ingeniero y Arquitecto del Reino». El gran respeto que Francisco I le dispensó hizo que Leonardo pasase esta última etapa de su vida más bien como un miembro de la nobleza que como un empleado de la casa real. Fatigado y concentrado en la redacción de sus últimas páginas para su tratado sobre la pintura, pintó poco aunque todavía ejecutó extraordinarios dibujos sobre temas bíblicos y apocalípticos.
A partir de 1517 su salud, hasta entonces inquebrantable, comenzó a desmejorar. Su brazo derecho quedó paralizado; pero con su incansable mano izquierda Leonardo aún hizo bocetos de proyectos urbanísticos, de drenajes de ríos y hasta decorados para las fiestas palaciegas. Su casa de Amboise se convirtió en una especie de museo, plena de papeles y apuntes conteniendo las ideas de este hombre excepcional, muchas de las cuales deberían esperar siglos para demostrar su factibilidad e incluso su necesidad.
Pasó sus últimos años en el castillo de Cloux, donde murió el 2 de mayo de 1519, a los 67 años. Fue enterrado en la Iglesia de San Valentín en Amboise.