Godine 1506. Leonardo se vratio u Milano, na poziv
francuskog guvernera, Charlesa d'Amboisea. Sljedeće je godine imenovan dvorskim
slikarom Luja XII., koji je tada prebivao u Milanu. Sljedećih šest godina
Leonardo je dio vremena provodio u Milanu, a dio u Firenci, gdje je često
posjećivao svoju polubraću i polusestre i vodio brigu o svom nasljedstvu. Tada
je nastala i slika Bogorodica s Djetetom i sv. Anom, a poduzima i detaljna
anatomska istraživanja. U Milanu je nastavio svoje inženjerske projekte, a radio
je i na konjaničkoj statui za spomenik Giana Giacoma Trivulzia, komandanta
francuskih snaga u gradu; iako projekt nije dovršen, crteži i studije su
očuvani. Njegov najpoznatiji crtež vjerojatno je veličanstveni Autoportret u
staroj dobi (1510. – 1513., Knjižnica Reale, Torino).Od 1514. do 1516. Leonardo je živio u Rimu pod patronatom Pape Lea X.: bio je udomljen u Palazzo Belvedere u Vatikanu i izgledalo je da je zaokupljen prvenstveno znanstvenim eksperimentima. Godine 1515. konstruira mehaničkog lava za krunidbu Franje I., kralja Francuske, a već sljedeće godine je otputovao u Francusku s ciljem da uđe u njegovu službu. Proveo je svoje zadnje godine u Château de Clouxu, u blizini Amboisea, gdje je dizajnirao palatu u Romorantinu. Preminuo je u Amboiseu, 2. maj 1519. u 67. godini.