Леонардо да Винчи е роден на 15 април 1452 година в град Винчи, тогава владение на Флоренция, като незаконен син на нотариуса Сер Пиеро да Винчи. Майка му Катерина произхожда от селско семейство. Изказвани са предположения, че Катерина е била робиня от Близкия изток, но фактите в подкрепа на това становище са недостатъчни. Малко след раждането на техния син връзката им приключва и не след дълго Катерина сключва брак с Акатабарига ди Пиеро дел Вака от Винчи, който притежава собствена грънчарница и от когото има още пет деца.
Сер Пиеро от своя страна е женен четири пъти и има от последните си два брака девет сина и две дъщери. След раздялата с Катерина приема Леонардо като любим син. Пиеро е нотариус от една от най-важните фамилии в града и упражнява професията си с успех. Първите биографи на Леонардо рисуват образа му в най-привлекателни черти. Според Джорджо Вазари „с блестящата си външност, която представляваше висша красота, той възвръщаше яснотата на всяка опечалена душа". Според един анонимен флорентински автор „той беше прекрасен, съразмерно сложен, изящен, с привлекателно лице. Носеше червен плащ, стигащ до коленете, макар тогава да бяха на мода дългите дрехи. Досред гърдите му се спускаше прекрасна брада, къдрава и добре разчесана."
Сер Пиеро се преселва със семейството си във Флоренция около 1464 година. През 1466 година, едва четиринадесетгодишен, Леонардо е даден да се учи при известния флорентински живописец Андреа дел Верокио (1436-1488), чието ателие е смятано за едно от най-добрите в града.Сред известните художници, чиракували или сътрудничили на Верокио, са Доменико Гирландайо, Пиетро Перуджино, Сандро Ботичели и Лоренцо ди Креди.
При Верокио Леонардо оформя своите интереси, увлича се по архитектурата, анатомията, математиката. Той получава не само теоретична и художествена подготовка, но научава и разнообразни технически умения в областта на химията, металургията, металообработването, отливането на гипс, обработката на кожи, механиката и дърводелството.
Милано по онова време е един от най-богатите италиански градове. За официален негов управник е смятан Джан Галеацо Сфорца, но фактически управлява неговият чичо Лудовико Сфорца, наричан Моро. Към неговия двор, както и към двора на Медичите, се стичат поети, хуманисти, учени. Характерът на научната среда обаче е малко по-друг, отколкото във Флоренция. Във Флоренция на почит били поезията и философията, докато тук с по-голям авторитет се ползват математическите и природните науки. Миланските херцози отделят много внимание на инженерството, на първо място - на военното.
През 1482 година Леонардо се обръща към Лудовико Моро с писмо, в което му предлага услугите си като инженер. В това писмо Леонардо описва всевъзможни проекти на подвижни мостове, бойни машини, артилерийски оръдия, както и предлага услугите си като архитект, скулптор и живописец. В края на писмото младият учен хвърля предизвикателство всекиму, който би се осмелил да се усъмни в неговите таланти: „А ако нещо от гореказаното би се сторило някому невъзможно и неизпълнимо, изразявам пълната си готовност да произведа опит във Вашия парк или на място, което е угодно на Ваша светлост, на когото се и поверявам най-смирено". През 1516 година по покана на френския крал Франсоа I Леонардо напуска Италия и се преселва във Франция. Пристига като прочут художник, като „божествения" Леонардо. Той става законодател на модата в кралския двор. Отново подготвя пищни тържества. В качеството си на архитект прави проект за новия дворец на краля.
Леонардо живее в имението Кло Люсе, разположен в южната покрайнина на малкото градче Амбоаз на бреговете на Лоара, недалеч от кралския замък. Там той прекарва последните три години от живота си в компанията на своя приятел и ученик граф Франческо Мелци. Въпреки че е с парализирана дясна ръка, продължава да работи до края на живота си.
Леонардо да Винчи умира на 2 май 1519 година в Кло Люсе. Според Вазари крал Франсоа I присъства в момента на смъртта му, но някои други сведения показват, че това е само легенда, популярна във Франция.
Съгласно неговото завещание, ковчегът на Леонардо е следван от процесия от 60 просяци. Той е погребан в параклиса „Свети Юбер" в кралския замък в Амбоаз. Главният наследник и изпълнител на завещанието е Мелци, който получава пари, картини, инструменти, библиотеката на Леонардо и неговите лични вещи. Сред останалите наследници са дългогодишният ученик на Леонардо Салай и слугата му Батиста ди Вилусис, които получават половината от лозята му, братята му, които получават земи, и прислужницата му, която получава черно наметало с кожи