В Милане Леонардо начал делать записи; около 1490 г. он сосредоточил внимание на двух дисциплинах: архитектуре и анатомии. Он сделал наброски нескольких вариантов проекта центрально-купольного храма (равноконечный крест, центральная часть которого перекрыта куполом) - тип архитектурного сооружения, который ранее рекомендовал Альберти по той причине, что он отражает один из античных типов храмов и имеет в своей основе наиболее совершенную форму - круг. Леонардо нарисовал план и перспективные виды всего сооружения, в которых намечены распределение масс и конфигурация внутреннего пространства. Примерно в это же время он добыл череп и сделал поперечное сечение, впервые открыв пазухи черепа. Заметки вокруг рисунков свидетельствуют о том, что его в первую очередь интересовала природа и строение мозга. Безусловно, эти рисунки предназначались для чисто исследовательских целей, однако они поражают своей красотой и сходством с набросками архитектурных проектов в том, что и на тех, и на других изображены перегородки, разделяющие части внутреннего пространства.
Зрелому периоду Леонардо да Винчи принадлежат две великие картины "Джоконда (Мона Лиза)" и "Тайная вечеря".
Мона Лиза создавалась в то время, когда Леонардо был до такой степени поглощен изучением строения женского организма, анатомией и проблемами, связанными с деторождением, что разделить его художественные и научные интересы практически невозможно. В эти годы он зарисовал человеческий эмбрион в матке и создал последнюю из нескольких версий картины Леда на сюжет античного мифа о рождении Кастора и Поллукса от соединения смертной девушки Леды и Зевса, принявшего образ лебедя. Леонардо занимался сравнительной анатомией и интересовался аналогиями между всеми органическими формами.
Из всех наук Леонардо более всего интересовали анатомия и военное дело.
Важнейший из общественных заказов Леонардо был также связан с войной. В 1503 г., возможно по настоянию Никколо Макиавелли, он получил заказ на фреску размером примерно 6 на 15 м. с изображением Битвы при Ангиари для зала Большого совета в палаццо делла Синьория во Флоренции. В добавление к этой фреске должна была быть изображена Битва при Кашине, заказ на которую получил Микеланджело; оба сюжета - героические победы Флоренции. Этот заказ позволил двум художникам продолжить напряженное соперничество, начавшееся в 1501 г. Ни одна из фресок не была закончена, поскольку оба художника вскоре уехали из Флоренции, Леонардо - снова в Милан, а Микеланджело - в Рим; подготовительные картоны не сохранились. В центре композиции Леонардо (известной по его наброскам и копиям с очевидно законченной к тому времени центральной части) был расположен эпизод с битвой за знамя, где всадники яростно бьются на мечах, а под ногами их лошадей лежат упавшие воины. Судя по другим наброскам, композиция должна была состоять из трех частей, с битвой за знамя в центре. Поскольку ясных свидетельств не существует, сохранившиеся картины Леонардо и фрагменты его записок позволяют думать, что битва была изображена на фоне равнинного пейзажа с горной грядой на горизонте.
Поздний период творчества Леонардо да Винчи включает, прежде всего, несколько набросков на сюжет "Мадонна с Младенцем" и св. Анной; впервые этот замысел возник во Флоренции. Возможно, около 1505 был создан картон (Лондон, Национальная галерея), а в 1508 или несколько позже - картина, находящаяся ныне в Лувре. Мадонна сидит на коленях св. Анны и протягивает руки к Младенцу Христу, держащему ягненка; свободные, округлые формы фигур, обрисованные плавными линиями, составляют единую композицию.
Иоанн Креститель (Лувр) изображает человека с нежным улыбающимся лицом, которое появляется из полумрака фона; он обращается к зрителю с пророчеством о пришествии Христа.
В поздней серии рисунков Потоп (Виндзор, Королевская библиотека) изображены катаклизмы, мощь тонн воды, ураганных ветров, скал и деревьев, превращающихся в щепки в вихре бури. В записках содержится много пассажей о Потопе, некоторые из них - поэтические, другие - бесстрастно описательные, третьи - научно-исследовательские, в том смысле, что в них трактуются такие проблемы, как вихревое движение воды в водовороте, его мощность и траектория.
Для Леонардо искусство и исследовательская деятельность были взаимодополняющими аспектами постоянного стремления наблюдать и фиксировать внешний вид и внутреннее устройство мира. Определенно можно утверждать, что он был первым среди ученых, чьи исследования дополнялись занятиями искусством.
Около семи тысяч страниц сохранившихся рукописей Леонардо да Винчи содержат его мысли по различным вопросам искусства, науки и техники. Из этих записей был составлен позже "Трактат о живописи". В частности в нем изложено учение о перспективе как линейной, так и воздушной. Леонардо пишет: "... возьми зеркало, отрази в нем живой предмет и сравни отраженный предмет со своей картиной... именно ты увидишь, что картина, исполненная на плоскости, показывает предметы так, что они кажутся выпуклыми, и зеркало на плоскости делает то же самое; картина - это всего лишь только поверхность, и зеркало - то же самое; картина - неосязаема, поскольку то, что кажется круглым и отделяющимся, нельзя обхватить руками, - то же и в зеркале; зеркало и картина показывают образы предметов, окруженные тенью и светом; и то, и другое кажется очень далеко по ту сторону поверхности. Существует еще другая перспектива, которую я называю воздушной, ибо вследствие изменения воздуха можно распознать различные расстояния до различных зданий, ограниченных снизу одной единственной (прямой) линией... Делай первое здание... своего цвета, более удаленное делай более... синим, то, которое ты хочешь, чтобы оно было настолько же более отодвинуто назад, делай его настолько же более синим..."
К сожалению, множество наблюдений, касающихся влияния прозрачных и полупрозрачных сред на воспринимаемую окраску не могло еще найти у Леонардо надлежащего физико-математического объяснения. Однако ценными являются предпринятые ученым первые экспериментальные попытки определения силы света в зависимости от расстояния, исследования законов бинокулярного зрения, видя в них условие восприятия рельефности.
В "Трактате о живописи" также излагаются сведения о пропорциях. В эпоху Возрождения математическое понятие - золотая пропорция было возведено в ранг главного эстетического принципа. Леонардо да Винчи именовал ее Sectio aurea, откуда и получил начало термин "золотое сечение". Согласно художественным канонам Леонардо золотая пропорция отвечает не только делению тела на две неравные части линией талии (при этом отношение большей части к меньшей равно отношению целого к большей части, это отношение приблизительно равно 1,618). Высота лица (до корней волос) относится к вертикальному расстоянию между дугами бровей и нижней частью подбородка, как расстояние между нижней частью носа и нижней частью подбородка относится к расстоянию между углами губ и нижней частью подбородка, это расстояние равно золотой пропорции. Разрабатывая правила изображения человеческой фигуры, Леонардо да Винчи пытался на основе литературных сведений древности восстановить так называемый "квадрат древних". Он выполнил рисунок, в котором показано, что размах вытянутых в сторону рук человека примерно равен его росту, вследствие чего фигура человека вписывается в квадрат и в круг.
В Милане Леонардо да Винчи начал работу над своей знаменитой картиной "Джоконда (Мона Лиза)". Предыстория "Джоконды" такова.
Франческо ди Бартоломео дель Джокондо заказал великому художнику портрет своей третьей жены, 24-летней Моны Лизы. Картина, размером 97х53 см., была закончена в 1503 г. и сразу получила известность. Писал ее великий художник четыре года (он вообще свои произведения творил длительное время). Свидетельством этого может быть использование различных растворителей в период написания. Так, лицо Моны Лизы, в отличие от рук, покрыто сетью трещин. Франческо дель Джокондо по невыясненным причинам не выкупил эту картину, а Леонардо до конца жизни не расставался с ней. Последние годы жизни, как уже отмечалось выше, великий художник по приглашению короля Франции Франциска I провел в Париже. После его смерти 2 мая 1519 года эту картину выкупил сам король.
Создавая свой шедевр, художник использовал секрет, известный многим портретистам: вертикальная ось полотна проходит через зрачок левого глаза, что должно вызывать у зрителя чувство возбуждения. Портрет (он находится в Лувре) является дальнейшей разработкой типа, появившегося у Леонардо ранее: модель изображена по пояс, в легком повороте, лицо обращено к зрителю, сложенные руки ограничивают композицию снизу. Одухотворенные руки Моны Лизы так же прекрасны, как легкая улыбка на ее лице и первобытный скалистый пейзаж в туманной дали.
Джоконда известна как образ загадочной, даже роковой женщины, однако эта интерпретация принадлежит XIX веку.
Картина вызывает различные предположения. Так в 1986 году американская художница и исследовательница Лилиан Шварц сопоставила изображение Моны Лизы с автопортретом Леонардо. Использовав перевернутое изображение автопортрета, она с помощью компьютера привела картины к одному масштабу, чтобы расстояние между зрачками стало одинаковым. Считается, что при этом она получила поразительное сходство, хотя эта версия представляется достаточно спорной.