Синьор Пиеро, честолюбивый юрист, продолжавший традиции своей семьи, слыл в деревне Винчи покорителем дамских сердец и соблазнил молоденькую Катерину. Как раз в год рождения Леонардо он женился на благовоспитанной флорентийке Альбиере; не особенно заботясь о своем внебрачном сыне, преуспевающий молодой юрист большую часть времени пропадал в различных тосканских городках. Маленький Леонардо находился у своей матери, по крайней мере до окончания кормления его грудью, примерно до полутора лет. По прошествии этого времени, самое позднее в 1454 году, Катерина вышла замуж за Антонио де Пиеро де Андреа де Джованни Бути, который получил прозвище «L’Accattabriga» (что означает «задира»); его небольшое хозяйство находилось в соседней деревне в двух километрах от Винчи. В этот момент Леонардо перешел на попечение дяди Франческо, который стал старшим другом Леонардо, проявлявшим отеческую заботу. У Франческо не было детей и они с Леонардо жили в маленькой усадьбе, расположенной на холме выше деревни. Зигмунд Фрейд, еще не знавший о записях Антонио, считает, что ребенок после пяти лет своей жизни, выйдя из-под материнской опеки, попал в отцовскую семью. Сегодня появилось еще одно мнение, высказанное Сержем Брамли: течение первых лет жизни Леонардо было определено договором, по которому Катерина должна была исполнить свой материнский долг вплоть до передачи ребенка семье отца. Согласно этой гипотезе, это могло произойти после получения разрешения на заключение брака. Дата бракосочетания с «Задирой» в конце 1454 года подтверждает эту версию.
Ранние детские годы Леонардо проходили по сценарию, в котором отразились как отчим и мачеха, так и раздельно живущие родители. Мы не знаем, как часто у ребенка появлялась возможность навещать свою мать, которая жила в получасе пути от него, и какие чувства он испытывал к отчиму и подрастающим сводным братьям и сестрам. Нет сомнений только в одном, что у растущего мальчика существовала проблема отношений с родной матерью, заставлявшей его страдать: грудной ребенок и маленький мальчик был привязан к своей матери, в то время как она пыталась вытеснить его из своего сердца. Что касается его взаимоотношений с первой мачехой Альбиере, то они, принимая во внимание ее редкие визиты в Винчи, вряд ли сыграли заметную роль. У Альбиеры не было собственных детей, и она могла проявлять к ребенку материнские чувства. Но о том, что сердечный контакт с ней все-таки состоялся, свидетельствует письменное сообщение Леонардо брату о ее заботе.
Считается установленным факт, что внебрачный сын по имени Леонардо по меньшей мере с трехлетнего возраста рос в семье отца, относительно состоятельных и образованных людей; его мачеха, Альбиера, также принадлежала к знатной семье из Флоренции. Но несмотря на это, Леонардо, посещая младшие классы в деревенской школе, обучался с трудом чтению, письму и счету. Частично это было связано с тем, что снисходительные родители не требовали от него дисциплины, и он, сообщает Вазари, что как и другие детишки из деревни, пребывая в радости и веселье, слонялся без дела по окрестным холмам и полям, в чем его, вероятно, с большим воодушевлением мог поддержать дядюшка Франческо. Дядя Франческо сопровождал его во всех рейдах по окрестным землям и воспитывал любовь к природе, особенно к животным. Вазари также сообщает, что дядюшка не мог вынести жалкого состояния находившихся в клетках птиц; и к великому удивлению крестьян покупал их, чтобы затем выпустить на волю.
Причиной, по которой отец не старался сделать из сына нотариуса или не допустить его к профессии врача, было даже не отсутствие у сына дисциплины или неудовлетворенность его слабым рвением, а лишь то обстоятельство, что он был незаконнорожденным. В то время для внебрачных детей путь в университет был закрыт, и о судейской или нотариальной деятельности нельзя было даже помышлять: незаконнорожденные дети не могли находиться в одном ряду с аристократами. По той же причине отец ни разу не дал Леонардо указаний изучать латинский язык, который тогда являлся обязательным фундаментом для хорошего школьного образования. И отсутствие знания латинского языка сказывалось долгие годы. Даже школьные учителя проявляли мало заботы о мальчике: в деревенской школе даже не стали себя утруждать попытками исправлять у него «дефект» левой руки или левши, что в те времена являлось правилом. Инквизиция утверждала, что левша — это человек, который помечен чертом, и поэтому дети-левши отучались в школах от «дурной привычки» всевозможными способами.