Leonardo udał się wraz z Lucą Piacolim do Mantui, gdzie został serdecznie przyjęty na dworze Isabelli d'Este, szwagierki Ludovica Sforzy. Dzienniki księżnej dowodzą, że była zakochana w artyście. Niektórzy badacze twierdzą, iż miał z nią romans, ale nie istnieją na to wystarczające dowody. Księżna ceniła jego malarstwo i zleciła mu wykonanie swego portretu. Wykonał tylko karton do obrazu i opuścił miasto.

Leonardo wyjechał w lutym 1500 r. z Mantui. W połowie marca przybył do Wenecji, gdzie spotkał się z artystami, Giovannim Bellinim i Giorgionem. Zajmował się planami zabezpieczenia wschodniej granicy Republiki Weneckiej przed najazdem tureckim. Sporządził dla weneckiego senatu raport w sprawie możliwości ufortyfikowania rzeki Isonzo. Odwiedził te tereny w połowie marca, by dokonać pomiarów, badań, oraz rozmawiać z miejscową ludnością. Po powrocie do Wenecji zainteresował się techniką drukarską. Zlecił wyrycie i wydrukowanie emblematu swojej szkoły. Mimo tych udogodnień Leonardo trwał w przekonaniu o wyższości obrazu nad drukiem:

Obraz nie płodzi niezliczonego potomstwa jak drukowana książka. Tylko on jest niepowtarzalny i nie rodzi dzieci kropla w kroplę podobnych do siebie. Dzięki tej wyjątkowości jest doskonalszy od powielanych wszędzie[5].

W kwietniu 1500 r. na dłużej przybył do Florencji. W czasie jego nieobecności nastąpiła tu diametralna zmiana stosunków politycznych^[j]. Leonardo stanął przed koniecznością odnalezienia się w nowej rzeczywistości. Florentyńczycy postrzegali artystę jako dziwacznego i kapryśnego:

Leonardo wiedzie życie nadzwyczaj nieuporządkowane i bezładne, zdaje się żyć z dnia na dzień[6].

Święta Anna Samotrzeć, właśc. Dziewica z Dzieciątkiem i Św. Anną

Jednakże artysta, który zyskał uznanie dzięki dziełu Ostatnia Wieczerza, nie narzekał na brak zamówień.

Leonardo zajął pomieszczenia w klasztorze serwitów i otrzymał zlecenie na wykonanie obrazu ołtarzowego Święta Anna Samotrzeć (właściwa nazwa obrazu: Dziewica z Dzieciątkiem i Św. Anną)^[k]. Prace nad nim wywoływały powszechne zainteresowanie. Do pracowni Leonarda^[l] ściągały tłumy, by móc zobaczyć chociaż karton do dzieła. Podejmował także inne prace, ale niczego nie doprowadzał do końca. Zajmował się też studiami geometrycznymi.

Latem 1500 r. wyjechał poza miasto na wakacje. Sporządził wówczas rysunek willi florenckiego kupca Angela del Tovaglia. 11 sierpnia przesłał rysunek markizowi Mantui, Francescowi Gonzaga, w podziękowaniu za gościnę. W tym samym roku Leonardo prowadził konsultacje inżynierskie. W wyniku osunięcia się wzgórza pod kościołem San Salvatore została naruszona konstrukcja budowli. Leonardo zalecił remont systemu odwadniającego i kanałów wodnych. Planiści podjęli 22 marca 1501 r. decyzję o wprowadzeniu pomysłu w życie. Potem Leonardo udał się w krótką podróż do Rzymu. Zwiedził wówczas ruiny willi Hadriana w Tivoli oraz Zamek św. Anioła. Sporządził serię szkiców antycznych budynków i rzeźb^[m]. Wówczas spotkał się także z Bramantem.

Na początku kwietnia 1501 r. Leonardo wrócił do Florencji. Spotkał się z wikariuszem generalnym zakonu karmelitów Pietrem Novellarą, który przekazał mu prośby Isabelli d'Este. 29 marca wysłała ona list do duchownego, by ten nakłonił Leonarda do wykonania dla niej obrazu Madonny. Prosiła także o przysłanie drugiego szkicu jej portretu. 3 kwietnia zakonnik odpisał, iż artysta jest pochłonięty studiowaniem geometrii i niewiele czasu poświęca malarstwu. Kolejny list od duchownego z 14 kwietnia zawierał informacje, iż Leonardo ustosunkował się przychylnie do pomysłu Isabelli. Obiecał wykonać dzieło zaraz po ukończeniu wykonywanego wówczas dla Roberta Florimonda obrazu Madonna z kądzielą. W lipcu markiza napisała jeszcze jeden list do Leonarda, wymuszając na artyście rozpoczęcie prac nad zleconym dziełem. Tym razem jej posłańcem był Manfredo de'Manfredi. W odpowiedzi z 31 lipca wysłannik stwierdził, że z słów Leonarda wynika, iż rozpoczął już prace. W maju 1502 r. Leonardo wyceniał antyczne wazy na życzenie Izabelli.

Potem pracował przez 10 miesięcy dla księcia Romanii, Cezara Borgii, jako architekt i inżynier wojskowy. Dla Florentyńczyków natomiast był ich "szpiegiem" na dworze Borgii. Podróżował po strefie wpływów Borgii. Początkowo wyjechał do Piombino, małego miasta nad Morzem Śródziemnym, gdzie sporządzał notatki na temat fortyfikacji i portu. Następnie udał się do Urbino, do którego dotarł 30 marca 1502 r. Spotkał tam ponownie Ludovica Sforzę. Kolejne podróże odbył do Pesaro (1 sierpnia), Rimini (8 sierpnia) i Ceseny (10 sierpnia). Tam Leonardo rozważał wykorzystanie nieznanych jeszcze we Włoszech wiatraków, ze względu na płaskie ukształtowanie terenu. 18 sierpnia wystawiono w Pawii dokument zapewniający Leonardowi swobodę podróżowania po włościach Borgii oraz pokrycie wydatków jego i pomocników. 6 września Leonardo wykonał szkic zatoki i kanału w Porte Cesenatico nad Adriatykiem, potrzebny do projektów fortyfikacyjnych, w które się angażował. 11 października był obecny przy zdobyciu Fossombrone przez Borgię. Podczas tych podróży przekonał się o tragizmie zjawiska wojny, co odcisnęło piętno na jego komentarzach w notatkach.

Plan twierdzy Imoli

Widok Val di Chiana z lotu ptaka

Pod koniec lata Leonardo przeniósł się do Imoli, gdzie mieszkał w twierdzy u osiadłego tam tymczasowo Il Valentino. 7 października przybył tam Niccolò Machiavelli, wysłany na pertraktacje z księciem. W czasie jego trzymiesięcznego pobytu między politykiem a artystą nawiązały się serdeczne stosunki. Leonardo sporządzał szczegółowe plany fortecy Imoli. Jego liczne podróże owocowały ogromną liczbą map, m.in.: mapy doliny Val di Chiana z lotu ptaka, czy też dróg i strumieni w okolicy Castiglione i Montecchio. Na początku 1503 r. da Vinci udał się z Borgiem do Sieny, którą władca zajął. Artysta, starając się odwieść myśli od spraw politycznych, podziwiał uroki architektury miasta.

W 1952 r. w Archiwum Państwowym w Muzeum Topkapi w Stambule znaleziono dokument podpisany:

kopia listu, który niewierny imieniem Lionardo przysłał z Genui[7].

Założono, że był to da Vinci. Autor listu oferuje swoje usługi inżynierskie sułtanowi Bajazydowi II. Kopista zaznaczył, że korespondencja została napisana 3 lipca, ale nie podaje roku, jednakże list datuje się na 1503 r. Za autorstwem Leonarda przemawia także styl pisarski, podobny do listu przesłanego do Sforzy.

Szkic twarzy wojownika do obrazu Bitwa pod Anghiari

W 1503 r. spotkał Michała Anioła. Leonardo miał już na swoim koncie wiele sukcesów, natomiast młody Michał Anioł był początkującym artystą. Później do grona dołączył Rafael Santi, którego twórczość zyskała wiele ze strony Leonarda, jak i Michała. Łagodny Rafael był daleki od angażowania się w konflikty, natomiast między pozostałymi artystami często dochodziło do starć, nawet na ulicy zdarzyła się między nimi ostra wymiana zdań. Michał twierdził, że rzeźba jest najdoskonalszą dziedziną w sztuce, a Leonardo wypowiadał się o niej lekceważąco.

Na początku marca wrócił do Florencji. Jego oszczędności malały z dnia na dzień. Nie mógł już mieszkać u zakonników, gdyż nie dostarczył im zamówionego dzieła. Stał się wówczas doradcą rządu Republiki. Uczestniczył w projekcie zmiany biegu rzeki Arno. W rzeczywistości chodziło o dwa osobne projekty: pierwszy miał na celu zmianę koryta w dolnym odcinku rzeki, by odciąć wrogiemu miastu Pizie dostęp do morza, drugi natomiast zakładał regulację rzeki na zachód od Florencji, by stała się tam możliwa żegluga. Gdy przedsięwzięcie nie powiodło się, sporządził projekt wykorzystania wody jako źródła energii i do nawadniania pól, jednakże pomysł ten nigdy nie został zrealizowany.

W 1503 r. między obydwoma artystami miało miejsce współzawodnictwo. Rząd republiki zlecił im ozdobienie malowidłami ściennymi Sali Narad w Pałacu Vecchio. Leonardo dostał to zlecenie za sprawą znajomości z Niccolem Machiavellim. Tematyką malowideł miały być wydarzenia z historii miasta. Ani Leonardo (Bitwa pod Anghiari), ani Michał Anioł (Bitwa pod Casciną) nie ukończyli malowideł ze względu na inne zobowiązania.