Leonardo bija notāra Pjetro da Vinči (Piero d’Antonio di ser Piero di ser Guido da Vinci) un Ankjano ciemata zemnieces Katerinas (Caterina) vecākais – ārlaulību dēls. Viņa māte tāpat kā tēvs vēlāk nodibināja savas citas ģimenes.

Leonardo bērnībā bija apguvis pamatzināšanas lasīšanā, rakstīšanā un rēķināšanā. Agri nonāca tēva ģimenes aizbildniecībā; ap 1469. gadu viņš uzsāka apmācības Florencē labi pazīstamā mākslinieka Andrea del Verrokjo (Andrea del Verrocchio) darbnīcā, kurā tika realizēti vērienīgi pasūtījumi tēlniecībā (no dažādiem materiāliem) un glezniecībā, tika darināti dekoratīvi darbi un realizēti inženiertehniski pasūtījumi, kas rosināja Leonardo daudzpusīgās intereses. Būdams apveltīts ar unikālu intelektu un novērošanas spējām, neizsīkstošu zinātkāri un neparastu zīmētāja talantu, pie sasniegumiem un atklājumiem mākslā un zinātnē viņš nonāca pašmācības ceļā caur dabas studijām, vērojumiem un eksperimentiem, fiksējot un analizējot tos zīmējumos un pierakstos.  

Leonardo dzīvoja un strādāja Florencē (1472–ap 1482; 1500–1508), Milānā (ap 1482–1499; 1508–1513), Romā (1513–1516), dzīves beigās Francijā (1516/1517–1519).

Leonardo patstāvīgā darbība aizsākās 1572. gadā līdz ar uzņemšanu Florences Sv. Lūkasa ģildē (La Guilda de San Lucas de Leiden), tomēr vēl līdz 1576. gadam viņš turpināja strādāt arī A. Verrokjo darbnīcā kā palīgs un līdzstrādnieks pasūtījuma darbos.

Agrākie zināmie Leonardo darbi glezniecībā ir eņģeļa figūra A. Verrokjo darba “Kristus kristīšana” (Battesimo di Cristo, 1472–1475, Ufici galerija, Galleria degli Uffizi, Florencē) kreisajā pusē, iespējams arī “Pasludināšana” (Annunciazione, ap 1472, Ufici galerija).

Pirmā Florences perioda gleznās izsekojama mākslinieka rokraksta attīstība, Florences kvatročento glezniecības tradīcijas un formālos paņēmienus, apvienojot ar tolaik Itālijā nesen iepazīto Nīderlandes glezniecībai raksturīgo naturālismu. Minētās iezīmes raksturo Leonardo zināmos agrīnos darbus “Dievmāte ar bērnu un ziedu vāzi” (“Madonna ar neļķi”, Madonna del Garofano, ap 1474/1476, Minhenes Vecā pinakotēka, Alte Pinakothek), “Madonna ar ziedu” (“Benuā Madonna”, Benois Madonna, ap 1479–1481, Valsts Ermitāža, Государственный Эрмитаж, Sanktpēterburgā), kā arī vienīgo šā perioda portretu – “Džinevras Benči portrets” (Ginevra de’ Benci, 1474/1478, Nacionālā mākslas galerija, National Gallery of Art, Vašingtonā), kas ir viens no pirmajiem sieviešu portretiem renesanses mākslā, kurā modelis gleznots ¾ pagriezienā; darba apakšējā daļa vēlāk tika apgriezta. Kadiķis (itāļu ginepro) fonā simboliski attēlo sievietes vārdu. Lieliskais gaismas, fona ainavas atmosfēriskuma, materialitātes atveidojums gleznā panākts, eksperimentējot ar eļļas krāsu, lazējuma slāņiem, kā arī izmantojot pirkstu nospiedumus  uz mitras virsmas, lai panāktu  maigāku modeļa miesas tekstūras atveidojumu.

Īpaši nozīmīga ir Skopeto Sv. Donāta (San Donato a Scopeto) augustīniešu klostera nepabeigtā altārglezna “Austrumu gudrie pielūdz Jēzu” (Adorazione dei Magi, ap 1481., Ufici galerija). Darba  ieceres novatorisms pilnībā maina Florences glezniecībā iecienītā sižeta attēlojuma principus. Ir saglabājušās arī vairākas šā darba skices, kas parāda mākslinieka idejas attīstību. Stingrība un precizitāte kompozīcijā, centrālās figurālās grupas piramidālais izvietojums, rūpīgi aprēķinātā lineārā perspektīva un telpiskā dziļuma atveidojums, apvienots ar figūru žestu dinamiku un spilgtu emocionalitāti tēlu raksturojumā. Neparasts 15. gs. glezniecībai ir virtuozā zīmējuma izcēlums dzeltenajā eļļas pagleznojumā, uz kura bistra zīmējums veido bagātus tonālus efektus. Arī turpmākajos Leonardo darbos atklājas interese par tēlu psiholoģisko raksturojumu, jauniem kompozicionāliem uzdevumiem un glezniecības tehnisko paņēmienu pilnveidošanas iespējām, pamazām nonākot pie novatoriskās sfumato tehnikas. “Austrumu gudrie pielūdz Jēzu” bija prestižs pasūtījums, kas liecina par Leonardo arvien pieaugošo autoritāti Florencē, tomēr šis, tāpat kā vairāki citi darbi, arī vēlāk Milānā aizsāktais “Sv. Hieronīms” (San Girolamo, ap 1488–1490, Vatikāna pinakotēka, Pinacoteca Vaticana, koks, eļļa) palika nepabeigts.

Jau no pirmā Florences perioda ir saglabājies ievērojams skaits Leonardo zīmējumu, kuru vidū ir gan ainavisku un dabas motīvu, portretu un kompozīciju studijas, kā arī ideju fiksējumi, kas apliecina mākslinieka bezgalīgi plašās intereses par visdažādākajām, tostarp zinātnes jomām. Zīmējumu vidū ir arī upes ielejas atveidojums (Paesaggio con fiume, 1473, Ufici galerija), kas tiek uzskatīts par agrāko ainavu renesanses mākslā. 

Ap 1482. gadu Leonardo pārcēlās uz Milānu, kur līdz 1499. gadam strādāja hercoga Ludoviko Sforcas (Ludovico Sforza) galmā. Galma mākslinieka statuss, kas nodrošināja regulāru atalgojumu, Leonardo šķita piemērotāks viņa daudzpusīgo interešu realizācijai nekā atsevišķi pasūtījuma darbi glezniecībā.

Pirmais Leonardo darbs Milānā bija glezna “Madonna klintīs” (Vergine delle rocce, 1483–1486, Luvras muzejs, Musée du Louvre, Parīzē). Tajā turpinātas Florences perioda idejas, pilnveidot piramidālo kompozīciju un jau pilnībā izmantojot sfumato tehniku un tonalitātes iespējas. Ikonogrāfiski sarežģītais, simboliem piesātinātais darbs bija Bezvainīgās ieņemšanas brālības (Confraternita dell’ Immacolata Concezione) pasūtījums Milānas Sv. Franciska baznīcas (San Francesco Grande) kapelai kā daļa no liela, polihromām koka un gleznotām figūrām un zeltītiem ornamentāliem griezumiem rotāta altāra (līdz mūsdienām nav saglabājies). “Madonna klintīs” izraisīja domstarpības ar pasūtītāju un noveda pie ilgstošas tiesvedības. Iespējams, ka tas bija viens no iemesliem kādēļ dažus gadus vēlāk Leonardo darbnīcā tapa šā darba otra versija (1490/1492–ap 1506–1508, Nacionālā galerija, The National Gallery, Londonā).

Pēc L. Sforcas pasūtījuma Leonardo uzgleznoja savu pasaulslaveno sienas gleznojumu “Svētais vakarēdiens” (Cenacolo Vinciano, 1492–1497/1498) dominikāņu Sv. Marijas Pateicības (Santa Maria delle Grazie) klostera refektorijā. Tajā bija atrasts jauns risinājums jau kopš trečento itāļu glezniecībā iecienītajai evaņģēlija ainai, svētā vakarēdiena notikumu parādot kā emocionāli piesātinātu, psiholoģisku drāmu pēc tam, kad Jēzus izteicis vārdus “Patiesi Es jums saku: viens no jums Mani nodos” (Mateja evaņģēlijs 26:21). Darbs gleznots eksperimentālā tehnikā ar temperas un eļļas krāsām uz sausa apmetuma, kas māksliniekam ļāva strādāt lēni, ilgstoši pārdomāt nianses, veikt labojumus, veidot precīzas detaļas un tonālus efektus. Iespaidīgā kompozīcija vēl pirms tās pabeigšanas kļuva sensacionāli slavena kā iluzora naturālisma virsotne glezniecībā. Aptuveni 20 gadus vēlāk krāsa uz sienas sāka lobīties un satumst, situāciju pasliktināja arī dažādi ārējie apstākļi. Visi vēlākie mēģinājumi gleznojumu saglābt cieta neveiksmi. Pēdējās ilgstošās konservācijas un restaurācijas (1978–1999) laikā tika konstatēts, ka no Leonardo oriģinālā veikuma ir palikuši tikai aptuveni 20 %; tika darīts viss, lai apturētu darba tālāko sairšanu. Gleznojumu apvij noslēpumainības aura, jo Leonardo savos darbos nereti izmantoja simboliskas vai emblemātiskas norādes. Tādas ir ietvertas arī pēc L. Sforcas pasūtījuma gleznotajā Cecīlijas Galerani (Cecilia Gallerani) portretā “Dāma ar sermuliņu” (Dama con l’ermellino,ap 1489–1490, Krakovas Nacionālā muzeja Kņazu Čartorisku muzejs, Muzeum Narodowe w Krakowie, Muzeum Książąt Czartoryskich), gleznā “Sievietes portrets” (La Belle Ferronnière, 1493–1494, Luvras muzejs) un nepabeigtajā darbā “Muzikanta portrets” (ap  1486–1487, Ritratto di musico, Ambroziana pinakotēka, Pinacoteca Ambrosiana, Milānā), kurā ne tikai ir demonstrēta tehniska virtuozitāte, bet arī atklāta modeļa psiholoģija.

Leonardo uzturēja plašu darbnīcu, kurā strādāja vairāki mācekļi un palīgi.  Viņu darbība ir radījusi problēmas atsevišķu Leonardo darbu rašanās laika un vietas noteikšanā.

Glezniecība bija tikai viena no Leonardo darbības jomām L. Sforcas galmā, viņš arī daudz strādāja kā arhitekts un inženieris, darināja arī dekorācijas teatrāliem uzvedumiem un svētku noformējumiem, bet atrada iespējas nodoties intelektuālām aktivitātēm, pētniecībai un zinātnei. Uzturoties Milānā daudzu gadu gaitā, Leonardo strādāja pie L. Sforcu dzimtas pamatlicēja Frančesko Sforcas (Francesco Sforza) bronzas jātnieka pieminekļa izveides; piemineklis netika realizēts materiālā. Sagatavošanas procesam ir iespējams izsekot Leonardo zīmējumos un piezīmēs (tā dēvētājā Madrides kodeksā II, Los Códices Madrid II, Spānijas Nacionālā bibliotēka, Biblioteca Nacional de España). 1494. gadā pieminekļa māla mets, kas plastiskā atveidojuma meistarības un izmēru ziņā tālu pārsniedza līdz šim zināmos šīs tipoloģijas darbus, pilnībā bija sagatavots, tomēr tā arī netika atliets bronzā. Pēc franču karaspēka iebrukuma Milānā un L. Sforcas bēgšanas, pieminekļa mets, visticamāk, ir iznīcināts.

No 1500. līdz 1508. gadam Leonardo dzīvoja Florencē (ar pārtraukumu 1502. gadā, kad viņš bija Čezāres Bordžijas (Cesare Borgia) dienestā kā militārs inženieris un arhitektūras darbu konsultants). Florencē Leonardo bija iesaistīts atsevišķu inženiertehnisku darbu veikšanā, bet šis periods ir nozīmīgākais Leonardo kā gleznotāja darbībā.

Ievērojamāko perioda darbu vidū ir “Madonna ar vārpstiņu” (Madonna dei fusi, ap 1499; izmēros nelielais darbs zudis, zināmas vairākas tā kopijas), kā arī “Sv. Anna ar Dievmāti un bērnu” (Sant’Anna con la Vergine e il Bambino, arī Sant’Anna Metterza, 1503–1519, Luvras muzejs), kuru Leonardo bija aizsācis vēl Milānā (visticamāk pēc Luija XII, Louis XII, pasūtījuma, pie kura turpināja strādāt līdz pat mūža beigām). Ar šo gleznu saistīts arī vienīgais zināmais Leonardo lielizmēra zīmējums (tā dēvētais Burlingtonas nama kartons, The Burlington House Cartoon) “Dievmāte ar bērnu, Sv. Annu un mazuli Sv. Jāni Kristītāju” (The Virgin and Child with Saint Anne and the Infant Saint John the Baptist, 1499–1500, Nacionālā galerija, Londonā). Izsmalcināti niansētā zīmējuma kompozīcija atšķiras no gala versijas gleznā, kurā piramidāli kārtotā figurālā kompozīcija gleznota uz fantastiskas, bezgalīgas kalnu ainavas fona, radot gandrīz trīsdimensionālu efektu. Tēlu psiholoģiskā raksturojuma dziļums, tēmas simbolika, līdz pilnībai izkoptā sfumato tehnika padara šo darbu par vienu no augstās renesanses ietekmīgākajiem sasniegumiem.

Otrā Florences periodā sākts arī pazīstamākais un visvairāk interpretētais portrets pasaules mākslas vēsturē Lizas Gerardīni (Lisa Gherardini), Frančesko del Džokondo (Francesco del Giocondo) sievas, portrets, kas pazīstams ar nosaukumu “Mona Liza” (Mona Lisa, arī “Džokonda”, itāļu La Gioconda, franču La Joconde, ap 1501–1519, Luvras muzejs). Šajā portretā māksliniekam izdevās panākt tādu sfumato tehnikas perfekciju, tēla un fona ainavas telpisko vienotību un līdzsvarotu majestātiskumu, kas individuālajam portretam piešķir arhetipisku nozīmi. Noslēpumainais smaids sievietes sejā, iespējams, ir itāļu vārda gioconda ‘jautrs, dzīvespriecīgs’ vizuāla reprezentācija. Darbs netika atdots pasūtītājam, un tika pilnveidots līdz pat mākslinieka dzīves beigām. Iespējams, ka otrajā Florences periodā Leonardo aizsāka šādus darbus (kurus turpināja vēlāk): “Svētais Jānis Kristītājs” (San Giovanni Battista, 1508–1519, Abū Dabī Luvras muzejs, اللوفر أبوظبي, Louvre Abu Dhabi), hipotētiski tiek minētas  arī divas kompozīcijas “Leda ar gulbi” (Leda col cigno,  zināmas tikai skices, kas darinātas  no 1503 līdz 1510 un kopijas), “Pasaules glābējs” (Salvator Mundi, ap 1500, autorība tiek apšaubīta, privātkolekcijā Abū Dabī).

Laika posmā no 1503. līdz 1506. gadam kuru Leonardo strādāja pie monumentāla gleznojuma pēc Florences pilsētas valdības pasūtījuma “Kauja pie Angiari” (Battaglia di Anghiari) vienā no Palaco Vekio (Palazzo Vecchio) centrālajām zālēm. Gleznojums palika nepabeigts, vēlāk tas zudis. Kompozīcijas centrālā daļa zināma pēc kopijām, saglabājušies atsevišķi zīmējumi un skices.

Kopš 1506. gada Leonardo ar Florences pilsētas valdības atļauju pēc Milānas franču pārvaldnieka uzaicinājuma epizodiski uzturējās Milānā kā militārais inženieris arhitekts, bet 1508. gadā pārcēlās uz Milānu. 

Leonardo daudz laika veltīja dažādām zinātnes nozarēm, sevišķi anatomijas studijām, veidojot pierakstus. Vienlaikus viņš strādāja pie ģenerāļa Žana Trivulcio (Gian Giacomo Trivulzio) bronzas jātnieka pieminekļa, bet darbs netika pabeigts pasūtītāja finanšu dēļ. Šā perioda nedaudzos glezniecības darbus raksturo racionāla kalkulācija par glezniecības iespējām un līdzekļiem. Tomēr šī tāpat kā turpmākā perioda darbu vietas un laika noteikšana ir problemātiska pārgleznojumu dēļ; daži darbi zināmi tikai pēc kopijām.

1513. gadā Leonardo bija spiests atstāt Milānu spāņu iebrukuma dēļ, un viņš devās uz Romu, kur uzturējās līdz 1516. gadam.

Neiegūstot pasūtījumus glezniecības darbu veikšanai Vatikānā, Leonardo 1516. gadā pieņēma Francijas karaļa Fransuā I (François I^er) uzaicinājumu strādāt karaļa dienestā kā galvenais gleznotājs, arhitekts un inženieris (Premier peintre, architecte et méchanicien du Roi). Kopā ar savu skolnieku un palīgu Frančesko Melci (Francesco Melzi) Leonardo pārcēlās uz Franciju, kur dzīvoja nelielā Klolusē pilī Ambuāzas pils tuvumā. Veselības stāvokļa dēļ viņš gleznoja maz, iespēju robežās pildīja amata pienākumus, nodevās zinātnei kā arī savu tekstu papildināšanai.

Mūsdienās Leonardo kapa vieta nav zināma, jo dievnams tika izdemolēts Franču revolūcijas (Révolution française) laikā un 19. gs. sākumā nojaukts. 1863. gadā atrastās iespējamās mirstīgās atliekas tika pārapbedītas kapelā, Ambuāzas pils dārzā.

Droši atributētu un pašrocīgi pabeigtu Leonardo glezniecības darbu (reliģiskas tematikas, kā arī portretu skaits), ir neliels: “Madonna ar ziedu”, “Džinevras Benči portrets”, “Austrumu gudrie pielūdz Jēzu”, “Madonna klintīs”, “Dāma ar sermuliņu”, “Svētais vakarēdiens”, “Sv. Anna ar Dievmāti un bērnu”, “Dievmāte ar bērnu, Sv. Annu un mazuli Sv. Jāni Kristītāju”, “Mona Liza” un cilvēka proporciju zīmējuma studija, kas zināma ar nosaukumu “Vitrūvija cilvēks” (Uomo Vitruviano, ap 1490, Venēcijas Akadēmijas galerija, Gallerie Accademia Venezia).

Papildus minētajiem, ir vairākas gleznas, kas tiek uzskatītas par Leonardo darbnīcas veikumu un kuru tapšanā viņš ir kaut kādā mērā piedalījies.

Lielākā Leonardo mākslinieciskā mantojuma daļa ir zīmējumi (kopskaitā ap 2500), kas galvenokārt ir apkopoti viņa piezīmju grāmatās.

Leonardo sniegums gan kā māksliniekam, gan izgudrotājam un zinātniekam tika apbrīnoti jau viņa dzīves laikā. Turpmākajos gadsimtos, nonākot atklātībā viņa piezīmju grāmatām, viņa personības un daudzpusīgā snieguma novērtējums ir audzis. Leonardo ir veicis novērojumus un fiksējis atklājumus savās piezīmēs anatomijā, mehānikā, aerodiamikā, hidrodinamikā, zooloģijā, botānikā, ģeoloģijā, optikā, būtībā par vairākiem gadsimtiem apsteidzot savu laiku.