Леонардо пристига в един процъфтяващ Милано. Тук е средището на доходоносната търговия, свързана с производството на коприна. Милано е центърът на плодородните земи на Ломбардия, а също такъв и за галантерийните стоки. Но този просперитет едва сега започва да попива духа на Ренесанса. По никакъв начин не може да съперничи на културното изобилие на Флоренция или пък на културния й снобизъм, но стеснителният млад художник с провинциален акцент веднага се чувства като у дома си тук.
Леонардо остава в Милано седемнадесет години, именно тук дарбите му разцъфват напълно и тук до известна степен постига лично щастие. През 1490 година взема за личен слуга десетгодишното момче Джакомо Салаи. Леонардо му приготвя нов комплект дрехи и оставя настрана парите, за да ги плати. Джакомо забелязва къде са скрити и ги открадва. Леонардо е бесен, но момчето отказва да признае вината си. Да Винчи записва в дневниците си, че Джакомо е „крадец, лъжец, твърдоглавец и чревоугодник“. Момчето е и пакостливо, но притежава чар и след няколко години с Леонардо стават любовници. Необразованият Джакомо свиква с дългите и загадъчни мълчания на своя господар, които толкова често обезпокояват посетителите му, а Леонардо пък проявява търпимост към дребните кражби на своя слуга. Джакомо Салаи остава със своя господар до края на живота му.
Леонардо получава поръчка от херцога на Милано да създаде бронзова статуя в естествен ръст на Франческо Сфорца, който е основател на династията. Рисунките и моделите, създадени от Леонардо за това велико произведение на изкуството, са сред най-възхитителните му произведения, а задачата по изливането на високия почти пет метра бронзов паметник подлага едва ли не на крайни изпитания неговата изобретателност, макар че проектът никога не е завършен. През 1495 година Леонардо получава поръчка да нарисува фреската „Тайната вечеря“ за трапезарията на доминиканския манастир „Санта Мария деле Грацие“ в Милано. Тя е върхът на познанията му като художник и е произведение, пресъздадено с такова върхово майсторство, че изглежда едновременно неизбежно и вечно. Всеки един от светците, събрани край масата от двете страни на благославящия Христос, има своя индивидуалност, която е пропита от дълбочина и жива емоция. Рисуването на картината отнема на Леонардо години, но в крайна сметка я завършва през 1498 година. Този път обаче пропуските са в подготвителните работи — стената, върху която е изписана, е влажна, а боите, използвани от художника, са смесени по негов новаторски метод и не са подходящи. По думите на един свидетел, само след шестдесет години фреската представлява „купчина неясни петна“ — всичко, което ни е известно за шедьовъра, го знаем от репродукциите на второстепенни художници.
В Милано Леонардо има свободата да разработва идеите си. Лодовико Сфорца е увлечен и очарован от проектите му за „бойни машини“, като катапулти, гигантски витла, покрити с броня превозни средства и тарани. Леонардо измисля планове за пресушаване на земи чрез система от канали и за проектирането на съвършени градове, започва да прави дисекции на човешки трупове, като записва подробностите от вътрешната анатомия и органите. За да забавлява своя господар, създава ледени скулптури, фойерверки и конструира механични чудовища. Леонардо е преди всичко чиста „интелектуална мощ“. Сфорца го настанява в един апартамент в големия дворцов комплекс, за който да Винчи проектира централна отоплителна система. Получава и голямо ателие, пълно с чираци и помощници, но какви точно задачи им възлага, си остава загадка. Когато става дума за рисуване, Леонардо работи със свой собствен мъчителен ход. По време на седемнадесетгодишното си пребиваване в Милано завършва само шест картини, но всички остават несравними.
Дори е късмет, че са завършени. Леонардо седи с дни наред, размишлява над идеите си, нахвърля скици в дневниците си и води записки с тайния си огледален почерк. Те представляват рога на изобилието на един необработен гений — изследванията му покриват всичко от астрономията до разположението на ембриона в утробата, от ботаниката до лицевите изражения, от изкуството до въоръжението. Често се пренебрегва фактът, че зад тези привидно отчаяни наброски се крие обединяваща идея — за Леонардо всичко това е част от плана му за „изкуството на рисуването“. За него художникът е върховният човек на изкуството, той притежава едновременно способността да възприема света във всяка една негова подробност и да документира точно как работи. Леонардо нахвърля невероятно амбициозен проект, включващ хора на изкуството, които наблюдават всеки един детайл в света, възприемат структурата и формата му, и съвсем точно документират какво представлява. При него изкуството се превръща в наука. Както отбелязва в един от дневниците си, „за да бъдат изложени, темите се нуждаят от опит, а не от думите на другите… приемам опита за свой господар и за всичко се обръщам към него.“ Съгласно възгледите на Леонардо можем да видим научния метод в неговия зародиш, въпреки че едва след повече от век Галилей развива тези идеи и поставя началото на съвременната епоха в науката.