Nació el 15 de abril de 1452 en Vinci, en el valle del río Arno, la Toscana, territorio de los Medici y República de Florencia.
Hijo ilegítimo y primogénito del notario Piero Fruosino di Antonio da Vinci, y de Caterina, una campesina. Su bautismo tuvo lugar en la cercana iglesia parroquial de Santa Croce, pero tanto el padre como la madre no asistieron al no estar casados.
Leonardo no tuvo apellido en el sentido actual, y "da Vinci" simplemente significa "de Vinci": su nombre de nacimiento completo fue "Lionardo di ser Piero da Vinci". La inclusión del título de "ser" indica que su progenitor era un caballero. Su madre encontró un marido que aceptó su situación "comprometida".
En 1460 se trasladó a Florencia, donde se formó. Su madrastra murió en 1464, cuando la familia ya vivía en Florencia, y fue enterrada en San Biagio. Ser Piero se casó tres veces más: en 1464, con Francesca di Ser Giuliano Lanfredini, que también murió sin descendencia; con Margherita di Francesco di Jacopo di Guglielmo, en 1475, que finalmente le dio seis hijos; otros seis tuvo con su cuarto y último matrimonio. Leonardo tuvo así doce hermanastros y hermanastras, todos mucho más jóvenes que él (la última nació cuando Leonardo tenía cuarenta años), y con los que no tuvo mucha relación pero sí gran cantidad de problemas por la herencia de su padre.
En torno a 1466 asistió al taller de Andrea del Verrocchio, donde se inicia en diversas actividades, desde la pintura de retablos y tablas, hasta la elaboración de grandes proyectos escultóricos en mármol y bronce. En 1472 fue admitido en elgremio de pintores de Florencia, y en 1476 todavía se le menciona como ayudante de Verrocchio, en cuya obra El bautismo de Cristo (c. 1470, Uffizi, Florencia), pintó el ángel arrodillado de la izquierda y el paisaje de matices neblinosos.
Su primer encargo fue un retablo para la capilla del Palazzo Vecchio, del ayuntamiento florentino aunque no llegó a ejecutarse.
Pasó sus primeros cinco años en la aldea de Anchiano en casa de su progenitora, y desde 1457, en casa de su padre y abuelos. En 1452, su padre Piero se había casado con Albiera Giovanni Amadori, de la que no tuvo hijos.
Su primera gran obra, La adoración de los Magos (Uffizi), que dejó inacabada, se la encargaron los monjes de San Donato de Scopeto, cerca de Florencia, hacia 1481. Otras obras de este periodo son: la Madonna Benois (c. 1478, Ermitage, San Petersburgo), el retrato de Ginebra de Benci (c. 1474, Galería Nacional, Washington) y el inacabado San Jerónimo (c. 1481, Pinacoteca Vaticana).
En 1482 se puso al servicio de Ludovico Sforza, duque de Milán, tras haberle escrito una carta en la que el artista se ofrecía como pintor, escultor, arquitecto, además de ingeniero, inventor e hidráulico y donde afirmaba que podía construir puentes portátiles, que conocía las técnicas para realizar bombardeos y el cañón, que podía hacer barcos así como vehículos acorazados, catapultas y otras máquinas de guerra y que incluso podía realizar esculturas en mármol, bronce y terracota.
Ayudó al matemático italiano Luca Pacioli en su célebre obra La divina proporción (1509). La obra más importante del periodo en Milán son las dos versiones de la Virgen de las rocas (1483-1485, Louvre, París; década de 1490-1506-1508, National Gallery, Londres), donde aplica el esquema compositivo triangular que encierra a la Virgen, el Niño, san Juan y el ángel, y donde aplica por primera vez la técnica del sfumato.
De 1495 a 1497 trabaja en su obra maestra La última cena, pintura mural para el refectorio del monasterio de Santa Maria delle Grazie, Milán. Además realizó otras pinturas, dibujos y modelos para la cúpula de la Catedral de Milán.
Su mayor encargo fue el monumento ecuestre en bronce a tamaño colosal de Francesco Sforza, padre de Ludovico, para su ubicación en el patio del castillo Sforzesco. Sin embargo, en diciembre de 1499, la familia Sforza fue expulsada de Milán por las tropas francesas. La estatua quedó inacabada y fue destruida por arqueros franceses que la usaron como diana.
