Tarkalleen ottaen Leonardo di ser Piero da Vinci syntyi 15. huhtikuuta 1452 noin kolmen kilometrin päässä Vincin kylästä olevassa Anchianossa. Hän oli äpärä, sillä hänen isänsä oli Messer Piero Fruosino di Antonio da Vinci, Firenzessä toiminut notaari, ja äiti mahdollisesti Lähi-Idästä peräisin ollut orja, Caterina.

Oletettavasti Leonardo asui Anchianossa viisivuotiaaksi saakka, kunnes hän muutti Vinciin, isänsä, isovanhempiensa ja setänsä Francescon kotiin. Taiteellisesti lahjakas Leonardo pääsi 14-vuotiaana Firenzeen kuuluisan taiteilijan Verrocchion ateljeehen, mistä alkoi hänen nousukiitonsa. Jo eläminen Firenzessä tuolloin takasi hänelle laajan koulutuksen ja hyvät yhteydet, minkä lisäksi työ Verrocchion pajassa antoi hänelle mahdollisuuden oppia mm. teknistä piirtämistä, kemiaa, metallurgiaa, metallitöitä, kipsinvalantaa, nahkatöitä, mekaniikkaa ja puusepäntaitoja.

Leonardolla oli sen jälkeen oma työpaja Firenzessä, mutta suurimman osan kuuluisista töistään hän teki Milanossa 1400-luvun loppuvuosina. Silloin hän teki taideteosten lisäksi myös paljon suunnitelmia erilaisista teknisistä laitteista, joita ei kuitenkaan rakennettu. Hän palasi Firenzeen vuonna 1500 ja työskenteli luostarissa kahden vuoden ajan, kunnes hänet värvättiin paavi Aleksanteri VI:n pojan Cesare Borgian palvelukseen sotilasarkkitehdiksi ja -insinööriksi. Noin vuoden kestänyt matkustuksen jälkeen hän palasi Firenzeen, ja siirtyi sieltä edelleen Milanoon vuonna 1506. Sieltä hän muutti jo seuraavana vuonna Firenzeen, mistä muutti jälleen Milanoon.

Vuodesta 1513 vuoteen 1516 Leonardo oli Vatikaanissa, Roomassa. Sen jälkeen jo vanhentunut Leonardo asettui aloilleen, pääsi Ranskan kuninkaan Frans I:n palvelukseen ja muutti Fransin hänen käyttöönsä antamaan Clos Lucén kartanoo lähellä kuninkaan residenssiä, Amboisen linnaa Loiren laaksossa. Siellä hän kuoli kolme vuotta myöhemmin.