Nel 1507 il re Luigi XII di Francia, padrone di Milano, richiese espressamente i servigi di Leonardo, che decise di tornare nella città lombarda nel luglio 1508. Alloggiò in una casa vicino a San Babila. In questo periodo realizzò la Scapigliata, ritratto di donna incompiuto conservato a Parma, e il San Giovanni Battista, conservato a Parigi.
Negli studi di matematica e geometria di quel periodo, è da notare un documento dell’aprile del 1509, dove Leonardo scrive di aver trovato la soluzione per la quadratura dell’angolo curvilineo.
Nel 1510 andò all’Università di Pavia a studiare anatomia con Marcantonio della Torre. In merito alla questione su quale fosse la migliore espressione per tramandare ai posteri gli studi scientifici di anatomia, Leonardo scrisse: «la vera notizia della figura umana, la quale è impossibile che gli antichi e i moderni scrittori ne potessero mai dare vera notizia, sanza un’immensa e tediosa e confusa lunghezza di scrittura e di tempo; ma, per questo brevissimo modo di figurarla…» – ossia tramite disegni, «…se ne darà piena e vera notizia. E acciò che tal benefizio ch’io do agli uomini non vada perduto, io insegno il modo di ristamparlo con ordine».
Nel 1511 la situazione di Leonardo a Milano cominciò a mutare nuovamente. Il suo sostenitore Charles d’Amboise morì e, due anni dopo, i Francesi furono cacciati da Milano nella guerra contro la Lega di Cambrai. La città tornò agli Sforza e, vista la situazione politica e personale, Leonardo decise di partire.
Nel settembre del 1514 giunse a Roma, portando con sé i fedeli collaboratori Melzi e Salaì. Grazie all’intercessione di Giuliano de’ Medici, fratello di papa Leone X, l’artista venne ospitato presso gli appartamenti del Belvedere al Vaticano.
Durante il soggiorno romano Leonardo si lamentò del fatto che gli fosse impedito di portare avanti gli studi di anatomia nell’Ospedale di Santo Spirito, ma riuscì a dedicarsi moltissimo agli studi scientifici, meccanici, di ottica e di geometria. A Roma non ricevette incarichi pubblici, ma ebbe modo di vedere in azione grandi artisti a lui contemporanei, confrontandosi con personalità quali Raffaello, che affrescava le stanze vaticane, Bramante e Giuliano di Sangallo, impegnati a san Pietro, e probabilmente anche il non troppo amato Michelangelo.
Durante un viaggio a Bologna, dov’era andato assieme a Giuliano de’ Medici e al Papa, Leonardo conobbe il nuovo re Francesco I di Francia, suo grande estimatore, che non perse occasione per invitarlo alla sua corte.
Tornato a Roma, Leonardo riprese a lavorare sugli specchi ustori, progetto di vecchia data che aveva la finalità di canalizzare i raggi solari per riscaldare l’acqua di una cisterna, utile alla propulsione delle macchine. Il progetto incontrò parecchie difficoltà, molte delle quali date dalle incomprensioni di Leonardo con i suoi collaboratori tedeschi.
Nel 1516 completò la stesura di altri suoi manoscritti, i Codici dell’Istituto di Francia conservati a Parigi, che trattano alcuni argomenti di fisica, geometria e arte militare.
Nel mentre, gli studi di anatomia che tentava di portare avanti lo misero nei guai: una lettera anonima accusò Leonardo di stregoneria, complicandogli molto la permanenza a Roma.
Nel 1517 Leonardo, ormai anziano e stanco, decise di abbandonare Roma e di accettare i lusinghieri inviti del re Francesco I, trasferendosi definitivamente in Francia.
