达芬奇在委罗基奥的画室里渐渐显露了他超人的绘画天赋。一般认为，他这一阶段创作的主要作品有：《亚诺风景》素描、《吉涅芙拉·德·宾西肖像》、 《加罗法诺的圣母》、《受胎告知》、《基督受洗》、《持花圣母》(又称《贝诺亚的圣母》) 、《圣哲罗姆》、 《博士来朝》(或《三王来朝》)等。
《亚诺风景》是现存最早的达芬奇的素描，他亲笔题字的时间是 “于神圣的温柔的马利亚纪念日 ——１４７３年８月５日”。 １４７４年画的《吉涅芙拉·德·宾西肖像》，精细地描绘了人物白嫩脸上的细长眼睛，纤细眉毛，稍稍突起的颧骨和抿着的嘴唇。头发描绘得更是细致入微。
这一批作品中，规模较大并开始具有达芬奇自己风格的是《受胎告知》。它长２１７厘米，宽９８厘米，是１５世纪绘画中常见的横披式构图。该画取材于《圣经》新约，情节是耶稣之母马利亚已许配约瑟，但没有结婚，马利亚得知受胎后十分惊慌、不安。
画家在表现这一传统的宗教题材时，一反前人的陈规陋习。他把马利亚的闺房置于美丽的自然风景中。前来告诉马利亚神谕的天使加百列，跪在繁花似锦的草地上。背景上有挺拔的柏树，重叠的山岸和潺潺流水。
天使加百列左手持一朵素静的百合花，面部表情十分柔和，毛茸茸的双翼富有质感。马利亚的手势和惊讶的表情在告诉人们 ：“我还没有结婚呀！”画面的布局条理井然，宁静开朗。柔和的色彩洋溢着清新的自然和青春的气息，而没有宗教的神秘感。人们之间的戏剧性场面栩栩如生地表达了“受胎告知”的复杂的思想感情。
被视为达芬奇创作道路上第一个里程碑的《持花圣母》，长４９1 ５厘米，宽３１厘米 。画上的圣母马利亚怀抱婴儿，面带幸福的微笑，白胖可爱的耶稣坐在她的膝上，马利亚手拈鲜花与婴孩逗乐。这里的圣母再不是平板僵硬的中世纪圣母了，她流露世俗母亲的母性。她的微笑高度地概括了现实中年轻少妇面对自己孩子的幸福感。同时，画中处于深色的墙垣上的窗户，一方面显示出行动是发生在室内，另一方面又展示出窗外的明净蔚蓝的天空，从而代替传统的圣母头上的绚烂色彩的“圣光”。这些特点 ，后来一直贯穿在达芬奇的绘画制作中。
《圣哲罗姆》是一幅未完成的宗教画。圣哲罗姆是佛兰西教派的苦行僧。传说有一天哲罗姆在家中闲坐，突然闯进了一头脚上扎着刺的狮子。哲罗姆看它很可怜，便替它把刺拔去。从此，那狮子便成为他的亲密伴侣。画面上描绘的是在忏悔中用石块敲打自身的圣徒和吼叫的狮子。画家力图表现出哲罗姆内心激动，狂热的情感，和虔诚、苦行的精神状态，并试图在复杂的空间中巧妙地真实地描绘人体。
１４８１年，达芬奇受圣多那托修道院委托，在祭坛上画《博士来朝》的大型祭坛圣像。故事出自 《圣经》新约全书马太福音第二章，说耶稣降生时，几个从东方来的博士向他朝拜，并献黄金、乳香等礼物。画面是表现博士来朝拜耶稣的一刹那的情景。在前景中央，玛利亚抱着裸体的耶稣为中心，四周围绕着前来朝拜的博士和群众，各人以不同的表情、动作和姿态对圣婴表示崇敬。在后景则运用精密的透视法，左边的建筑物的廊、柱、台阶，右边为广阔的原野和山地。在那里希律王的兵马正在屠杀婴儿。画家巧妙地把前景的朝拜和后景的屠杀作了强烈的对比，并力图借此揭示每个人物的内心复杂的内心活动。画面洋溢着动人心魄的热烈气氛。中央的圣母子以及两侧的两个圣贤，构成了金字塔式的布局，这成了后来在文艺复兴盛期绘画中广泛流行的基本程式。圣母抱着圣婴坐在一块石头之上，含着一种腼腆的笑容。那三个博士，面呈倦容，他们低着头，用头遮着那半瞎的眼睛，注视着这个奇迹：神降生了。
达芬奇为这幅巨作画了数不清的草图。他无休止地追求作品的完美无缺，工作因此进展缓慢。修道院的僧侣表现出不满，达芬奇一气之下，停止了这幅画的创作，使之半途而废。
这些早期的作品，说明达芬奇受到乔托·波提权利和波拉尤奥罗以及他的老师委罗基奥的深刻影响，吸取了这些前辈的精华，但是，却又突破了这些前辈的局限，展示了抒情诗般的意境和丰富复杂的思想感情。他的素描和透视学已经纯熟谙练，开始注重借助动作、手势、姿态来表现人物的内心活动。但是在光和影的处理上，尚未达到日后的炉火纯青的程度。
达芬奇渐渐远扬的声誉，以及他与委罗基奥非同寻常的友谊，在委罗基奥画室的同事中引起了一些人的不满。其中一个竟投了匿名状，控告达芬奇与老师委罗基奥犯有同性恋罪。这种诬告，会使好多人将信将疑。因为年轻的达芬奇是佛罗伦萨里最美的少年之一，而他又远离姑娘们，从来不向她们献殷勤。
达芬奇认为，一个画家的灵魂必须像一面镜子，她反映一切：一切物象、一切运动、一切颜色。但她自身却是不动的和明亮的。而灵魂最澄清的时候就是孤寂。如果你是单独一个人，你是完全属于你自己的；如果你和一个伙伴在一起，那你只有一半属于自己，或者更少些；如果朋友更多，那就更加倒霉。艺术家的强处，就在于他处于孤寂里面。所以，达芬奇为了献身绘画，决定终生不娶，对所有女色敬而远之。
诬告很快被澄清了，然而达芬奇不觉得轻松。
因为已经有人传说他有“异端的思想 ”，说他“不信上帝”了。如果这一点被证实，他就会被处以火刑。
佛罗伦萨的生活，让他一天也不能愉快。这一年，他离开了委罗基奥的画室。
父亲彼埃罗为他在罗伦索·美第奇的官邸中找到一份工作。但是，达芬奇不会去逢迎罗伦索。罗伦索需要他的下属对他进行很高超然而也很无聊的奉承。
他不能容忍太勇敢、太自由的人。同时，达芬奇与他的宫廷艺术氛围也显得格格不入。达芬奇在那里只有被冷落的份儿。他度日如年，甚至想到叙利亚去当总督的宫廷建筑师，尽管这样做是要脱离基督教而改信伊斯兰教的。只要能离开佛罗伦萨，达芬奇觉得上哪儿干什么都行。
终于，来了机会。达芬奇在这期间发明了一种乐器，式样新奇，形如马头，大部分用白银铸成，乐声极其清亮优美。罗伦索本来喜爱音乐，他立即喜欢上了这个怪异的琴式和琴音。他要发明这乐器的人亲身到米兰走一趟，亲自演奏并将这乐器献给米兰公爵洛多维柯·斯福查。
达芬奇觉得这是离开佛罗伦萨的好机会。于是，他立即给公爵写了一封信，毛遂自荐。他认为斯福查有力量能统一全意大利，因此，他在信中首先介绍了自己的战具发明的才能。他说他能建造轻而耐火的桥梁；能无须炮轰即可毁坏一切非建筑在岩石上的要塞和堡砦；能在壕沟和江河底下迅速并无声地挖掘地道；能建筑蒙甲的战车，冲入敌阵时敌人无法阻止；能建筑很美观而合用的新形式的大炮；能制造围城用的冲城机、巨大的投石机，海战用的能抵御铁石攻击的船，以及各种发挥神奇效力的进攻和防守武器。当然，除了战争和军事，达芬奇还历数了他的其他才能。他自己写道：
“在和平的时候，我希望做个建筑师，替殿下办事，我将建筑私人的和公家的房屋，挖掘运河和设立水道。
雕塑大理石、黄铜和陶土的艺术，以及绘画，凡有委托，我也能做，不下于其他的人。
铸一尊青铜骑马像以纪念殿下尊人老公爵及四方闻名的斯福查家族，我也能承办。
殿下若以为上面列举的种种发明似乎难以相信，则我愿意做个试验，或在大宫花园内或在殿下指定的其他地方。我愿做殿下最恭顺的仆人——列奥纳多·达芬奇 。”
后人曾评价达芬奇这封信 ，“不是出自一位天才，便是出自一个疯子”。
１４８２年，３０岁的达芬奇离开佛罗伦萨，前往米兰。米兰公爵斯福查没有把他送进疯人院，而是把他留在宫廷里任职。达芬奇多方面的卓绝的才能，在这里得到了用武之地。他主持各种娱乐、创作音乐、绘制舞台背景，设计服装道具，导演戏剧，甚至扮演主角，登台表演。他既是军事工程师、建筑师，又是艺术家、宫廷音乐师。然而这些只是他极为次要的一些工作。
达芬奇刚到米兰，就着手为公爵之父弗朗西斯果·斯福查制作骑马巨像。
弗朗西斯果·斯福查的父亲是个有名的佣兵头领，无论哪个国家要打仗，只需用钱雇他，他便带着部下替你出力卖命；不打仗的时候则过强盗的生活。弗朗西斯果继承他父亲的地位后，势力更加雄厚，战无不胜，人们称他为“战争之父”。后来他娶了米兰公爵维士孔啻家菲力浦·马利亚的女儿。在１４４７年，米兰和威尼斯发生战争时，公爵死了，斯福查带着部下佣兵打败了威尼斯军队，随后他立刻与威尼斯媾和。
１４５０年回到米兰自己做起公爵。弗朗西斯果死后传位于他的儿子洛多维柯·斯福查继承公爵。
为了这座纪念碑式的”骑马巨像”的雕塑，达·芬奇断断续续制作达十年之久。从８０年代的早期，达芬奇就制作了若干草图，他在马的举足跃腾还是稳步前进的姿态上举棋不定。到了９０年代，在翻铸模型的草图上，达芬奇才确定了稳步前进的姿态。
１４９０年，达芬奇完成了高达七米的与真人大小相等的泥塑构图。它比当时那太罗和委罗基奥的骑马雕像要高出一半以上，被人称为“世界第八大奇观 ”，得到同时代人众口一辞的崇高评价。达芬奇把这个泥塑构图安放在公爵城堡中的一个院落里。但铸铜像时需要８０吨铜。可惜还没有来得及铸铜。１４９９年，法国军队占领米兰，它立刻成了法军射手射击和打靶的目标，于是被全部毁坏了。
当时的米兰，经济也很发达，冶金技术和水利工程在全意大利是属于一流的。达芬奇仔细研究了米兰的冶金技术，实地考察和研究了伦巴底的水利工程建设。他常常带领学生们去拜访巴费亚学院的教授们，和米兰的学者们进行广泛的交流和讨论。他曾向斯福查公爵提出系统的方案，来开掘“斯福查运河”。这条运河将塞西亚河和第其诺河联结起来，而且用一个小运河网去灌溉伦巴底那地方的草地、田园和牧场。
运河开成之后，广阔的伦巴底平原，从摩塔拉，直到亚毕亚特格拉索，河渠纵横交错，土肥水美，物产丰饶，如同人间的乐园一般。
１４８４年到１４８６年间，米兰发生了瘟疫，很多人染疾毙命，活着的人心惶惶，朝不保夕。一天，达芬奇见到公爵，他送上一张草图，公爵见上面画着一个具有双层街道的城市图案。房屋的下边，还有好多管子和沟渠流着污秽的水。
“这不错，”公爵说 。“你认为真能够建筑这样一个城市么？”
“能够的，”达芬奇说 。“我好久以来就梦想着，殿下也许会来尝试一下，至少在米兰郊外建筑这样一个城市，５０００个房屋给３万人居住。现在人群拥挤在一起，吸的是恶浊的空气，饮的是污秽的水，传播着瘟疫和死亡的一切种子。这样的城市时常要受到瘟疫和死亡的威胁。可是新城就会疏散一点，舒适一点，也更清洁一点。殿下有意实现我的计划么？那将是世界上最美丽的城市……”
公爵脸上浮现出一丝微笑 ：“你是个怪人，列奥纳多先生！我相信，若是让你放开手去做，你不知道会把这个国家变成什么样子 。”
尽管达芬奇的这个建议没有被公爵采纳，但是，他的计划和想法却对后来的城市建设产生了重大的影响。如今，没有一个现代化城市不建设地下水道，把城市污水排出去。
除了开凿运河，疏浚河道，兴修水利，铺设道路，建筑堡塞和改良城防，达芬奇还开始了对飞行机的研究。他早就想过：沉重的鹰用它的双翅能在稀薄的空气上面盘旋，庞大的船用它的风帆能在海面鼓浪前进，为什么人类不能装设翼翅以凌驾空气，制服风力而扶摇直上呢？他决心解开这里的奥秘。
达芬奇把自己的想法记在一本簿子上，旁边还画了一幅图，一根圆铁棍装在一根辕木上面，辕木之上又装有若干翼翅，可以用绳子拉动。
有一天达芬奇在回佛罗伦萨城里的路上，慢慢骑着马走，贝尔特拉非奥步行在他旁边。此外没有别人。一路上橄榄树的潮湿的黑根中间点缀着绿草，蓝色的蝴蝶花带着纤细的不动的花茎，就生在绿草中间。
寂静得很，像初春清晨所能有的那般寂静。
达芬奇当时，已有四十以上年纪，当他不说话，在沉思的时候，他的颦蹙的眉毛底下两颗浅蓝色的锐利的眼睛，显出阴冷迫人的神气。若是他说话的时候，眼中含有和悦的情意。他的金黄色的长胡子，同样也是金黄色的丛密的蜷曲的头发，给人以庄严的相貌。
他的面孔具有温柔得几乎同女人一般的美；身体虽然魁梧而有力，他的声音却是非常高亢而悦耳，不像男子的声音。美丽的手，连着雅致的纤细的指头，温柔得像女人的手一般，但却有着很大的力量。
突然达芬奇拉住他的马，望着一只幼鹰，它正在向着穆农溪边芦苇丛中窥探它的口食，——一只鸭子或者一只苍鹭罢。这鸟儿慢慢地匀称地在空中盘旋着，一会之后，它突然头下脚上地冲下来，像一块落地的石头，一面狂叫着，在树梢背后消失了。达·芬奇的眼光随着它飞，每一转身，每一运动，每一展翅，都逃不过他的眼睛。鸟儿不见之后，他就打开那系在腰带上的一个簿子，在那上面写字——自然是记录他对于鸟飞的观察结果。
贝尔特拉非奥发现，他的笔并不是拿在右手，而是拿在左手，于是他立刻联想到一种关于达芬奇的极希奇的传说，说他的著作是用照镜式字体写的，不是从左往右写，而是从右往左写，同东方人写字一样。
据说，他这样写，是为了隐藏他的关于神和自然界的邪恶的异端的思想。
经过多年的苦心计算和设计，他的这架机器快造成功了。正放在他的面前，笨头笨脑的怪模怪样的。
他这架新机器好像一只大蝙蝠。翼翅的骨架同骷髅的手一般，有五个多节的指头，关节的地方都可屈伸活动。硝过的皮条和生丝绞成的绳索做成一条带来，连同一根杠杆和一块圆板，把指头给系起来，同筋肉的作用一般。一根活动的棍子和一根接连的大棒可以把翼翅高举起来。罩套是坚韧的薄绸做成的，全不通空气，有如鹅掌的蹼膜，又可以展开合拢。四个翼翅都是参差扇动着，同奔走的马足一样。每个翼翅都是 ４０英寸长和８英寸高。翼翅向后扇时，全机就向前冲，翼翅向下扇时，全机就向上举，飞行的人双脚立在踏蹬上面，脚部的力量，经过绳索、辘轳和杠杆传到翼翅去，使翼翅活动起来。人的头部则驾驶一个大舵，舵上满装羽毛，看来好像鸟儿的尾巴。
鸟儿要从地面上飞起时，在振翼以前必须用双脚高跳一下。蜡嘴雀的脚很短，若是把它放在地面上，它能鼓翅而飞不起来。
达芬奇用两个芦苇做的像梯子一般的东西，装在这飞行机器上面，代替鸟脚的作用，从经验上知道：
一架完善的机器同时必须是美观的和匀称的，这两把不可缺少的梯子装在上面，非常难看。
于是他埋头在数学的计算上面，探究这机器的谬误之点，可是找不出来。忽然，他在一张密密地排满了图形和数字的纸上，乱涂几笔，在边缘写道 ：“错了！”然后用表示气愤的文字添加一句诅咒的话说“到魔鬼那里去吧！”
算式愈算愈加紊乱起来，那个发现不出来的谬误愈觉得是重大了。纸上排满了图形、数字、括弧、分数式、方程式、平方和立方根号。
深夜便不知不觉地过去了。达芬奇连续两晚没有睡眠了。
从佛罗伦萨回到米兰后，整整一个月，达芬奇完全埋头在他的飞行机器上面，几乎没有离开过他的屋子。
一株白刺槐的树枝从打开的窗户窥视进来，并散放些柔软而清香的花瓣在写字台上，月亮穿过那发出珍珠光泽的淡红色云幕，减少了一点光辉，照进房内来，同那正在消融的蜡烛的红光融化成一片。
房中最触目的是飞行机的翼翅，它们高过一切，从地面直耸至天花板，一个还是空架子，其余的已经上好罩套了。在这些翼翅中间，地板上面。有个人伸长身子躺着，头向后仰，显然是在工作当中睡着了。
他右手还紧握一把烟熏的铜瓢的把柄，有什么金属溶液从那里流到地面上去。
在月亮和蜡烛的摇晃不定的光照下，这架飞行机和那个在翼翅中间睡眠的人，合起来好像就要振翅飞去的一只巨大蝙蝠。
那个在地板上睡觉的人此时醒转来了。那是达·芬奇的助手，佛罗伦萨城的一个灵巧的机器匠和铁匠，名叫左罗亚斯特罗。他有一次做工时，燃烧的火炉里跳出一星火，把它的一只眼睛弄瞎了。这个笨重的大汉，有时候像小孩子般天真。
“我贪睡了！”铁匠喊，一面捧着他的头 。“让魔鬼抓我去吧！师父，您为什么不唤醒我呢？我是很着忙的，我要在今天晚上以前也做好左边那扇翼翅，那么明天就飞得成功了。……。”
“你这觉睡得很好，”达芬奇回答 ，“你没有妨害什么事情。这机器是用不得的 。”
“什么？又用不得了么？不，不，师父，不管您怎么办，我是不愿再做一回这种机器的。你想，我们费了多少金钱和劳力！现在一切又都白费了！那么怎么办才好呢？这个机器还飞不成功么？它不仅载得一个人，连一只大象都载得起哩！师父，您看吧！您答应我再尝试一回，这次我拿到水上飞去。若是掉下来的话，我只当洗一次浴。我泅水的工夫简直像一尾鱼，我是不会淹死的 。”
“耐心一点，我的朋友！凡事都有一定的时候。
以后……。”
“以后！”铁匠叹了一口气，几乎哭出来 。“为什么不是现在呢？不错，只要上帝还活着，我总飞得成功的！”
“你飞不成功的，左罗亚斯特罗。我用数学算过了 。”
“让魔鬼拿去罢，您的什么数学！您的宝贝数学弄得我们头脑糊涂。您想，……这不是气死人么？我们还等待什么呢？飞行机快做好了，放在这里，我只消拿去，做一番祷告，求它好好飞起来，……我就乘着飞去了 。”
据说，这架飞机最终没有试验成功，达芬奇并没有气馁，他进一步研究风力和气流的机械学。在他看来，人类没有飞翼是如何不能忍受，不堪设想。因此，他坚信，人类一定能飞起来。即使他做不到，但将来总有人做到。因为人将无所不能，人将征服一切。