Во Флоренции только что (1502) избранный пожизненным гонфалоньером Пьеро Содерини после долгих настояний уговорил его взять на себя роспись одной из стен залы Большого совета в Палаццо Веккьо. Сюжетом должна была служить ему битва при Ангиари в 1446 году; другую стену брался расписать Микеланджело. Леонардо отвели под мастерскую большое помещение в монастыре Санта-Мария Новелла, и он принялся за картон. Но одновременно с большим увлечением погрузился он в исследование возможностей отвода русла Арно от Пизы, осажденной тогда флорентийцами. А когда этот проект был оставлен, увлекся другим, канализованием Арно под Флоренцией, и составил подробный план с детальными объяснениями. Тем временем выяснилось, что изготовленные им масляные краски не держатся на известке, наложенной на стену, и «Битва при Ангиари» должна так же неминуемо разрушиться, как и «Тайная вечеря». Леонардо бросил фреску и занялся аэростатикой и аэродинамикой. Но вскоре с величайшим увлечением вернулся к живописи: его увлек портрет Моны Лизы Джокондо, который он стал писать в это же время.
Пребывание Леонардо во Флоренции было прервано приглашением в Милан, полученным от Шарля д’Амбуаза де Шомона, французского губернатора Миланского герцогства. Содерини отпустил его на три месяца, но потом сначала Шомон, затем сам король Людовик XII просили Синьорию отсрочить ему отпуск. Он вернулся во Флоренцию на очень короткое время в 1508 году и прожил в Милане вплоть до того момента, когда французы вынуждены были очистить герцогство (1512). Он приобрел там много новых друзей, в том числе Джироламо Мельци из Ваприо, сын которого, Франческо, вскоре сделался его любимым учеником. Он написал там несколько портретов, устраивал придворные празднества, но главным его занятием были работы по канализации и по орошению отдельных частей Ломбардии. Когда он гостил в Ваприо, он больше всего занимался анатомией, готовя особый трактат.
После французов оставаться в Милане Леонардо не мог. Тем временем папою стал (1513) Джованни Медичи, Лев X, и в Рим потянулись со всех концов Италии в чаянии найти работу артисты. Папа был сыном Лоренцо Великолепного. Одно это, казалось, было ручательством, что для даровитых людей настает золотой век. Направил свои стопы в Рим и Леонардо. Он присоединился к свите папского брата Джулиано. Слава его была велика, но заказы, которыми его по обыкновению заваливали, были исключительно живописного характера. Леонардо нехотя писал картины и усерднейшим образом занимался анатомированием трупов в одной больнице, опытами по акустике во рвах Замка св. Ангела и научными экспериментами, которые в описании Вазари превратились не то в какую-то игру, не то просто в блажь ученого человека. Лев X отнесся к нему холодно, и, когда при вести о приближении нового французского короля Франциска I папа отправил Джулиано, бывшего главнокомандующего церковными силами, для наблюдения за французской армией, Леонардо, хотя старый и немощный, поехал вместе с ним. Когда Франциск разбил швейцарцев при Мариниано (1515), папа вступил с ним в переговоры. В Болонье было назначено свидание, и в конце 1515 года почти одновременно с папою прибыл туда и Леонардо. Знакомство с Франциском повело к тому, что художник получил приглашение переселиться во Францию и работать там для короля. Подумав, Леонардо согласился, и последние три года жизни провел в замке Клу близ Амбуаза. Там он написал несколько картин, в том числе Иоанна Крестителя, а большую часть времени занимался работами по орошению окрестностей Амбуаза и приводил в порядок свои научные записи.
Он умер 2 мая 1519 года.
Интересы Леонардо сложились вполне во Флоренции, до 1482 года. Ему было больше тридцати лет, когда он отправился в Милан, и мы знаем, что не гуманистическая среда сформировала Леонардо, а те научные интересы, которые создавались под влиянием хозяйственных предвидений и опасений в атмосфере большого центра текстильной индустрии. Такие интересы и настроения носились в воздухе, и люди чуткие их улавливали.