Pochodzenie uniemożliwiało Leonardowi zdobycie uniwersyteckiego wykształcenia, nad czym ubolewał:

Jeśli zaprawdę nie posiadam wiedzy, by cytować autorów, jak robią to inni, to i tak o wiele lepszą i bardziej wartościową rzeczą jest odczytywanie znaczeń za pomocą osobistego doświadczenia, które służy nauką własnym mistrzom. Uczeni przechodzą obok dumni, nadęci i pompatyczni, przyozdobieni w owoce pracy nie swojej, lecz innych, mnie nie pozwalając zebrać owoców nawet mej własnej[1].

Leonardo zaczął pobierać nauki prawdopodobnie dzięki kontaktom zawodowym ojca. Ser Piero znał cenionego malarza i rzeźbiarza, Andreę del Verrocchia, któremu zaprezentował kilka prac syna. Ten bezzwłocznie przyjął go do swojej pracowni. Młodzieniec poznawał sztukę nie tylko w pracowni, ale także na ulicach, w kościołach i w mieście.

Pracownia Verocchia mieściła się w parafii kościoła Sant'Ambrogio we Florencji. Przed przyjęciem Leonarda do pracowni Verrocchio spisał z jego ojcem umowę. Zobowiązywał się w niej nauczyć adepta zasad perspektywy i rysowania postaci, miał też zapewnić mu papier i dostarczać modeli, którymi były zazwyczaj rysunki malarza oraz przedmioty i ludzie.

Papier był wówczas drogi, więc uczniowie ćwiczyli także na zagruntowanych drewnianych tabliczkach, używając rysików z metalową końcówką. Na najwcześniejszych rysunkach Leonarda na papierze można zauważyć, że używał sztyftu z ołowianą lub srebrną końcówką, popularnego ówcześnie narzędzia rysowników, a potem wykonywał pociągnięcia piórkiem.

Zanim Leonardo mógł przystąpić do nauki malowania, musiał zgłębić podstawy tego procesu: poznać przydatność do obrazów wielu gatunków drewna: topoli, orzecha, gruszy, jarzębu. Uczył się sporządzania różnego rodzaju gruntów, przygotowując podkład pod farbę.

Tobiasz i anioł – obraz Andrei del Verrocchia, wykonany przy uczestnictwie Leonarda

Potem Leonardo posiadł umiejętność odlewania w brązie. Pracował w glinie i marmurze oraz malował. Nie wiadomo kiedy dokładnie przekroczył próg pracowni – najpóźniej od 1469 r. mieszkał i pracował u Verocchia. Uczniami byli tam także Lorenzo di Credi, Pietro Perugino i Agnolo di Polo. Najpierw Leonardo uczył się sporządzania farby, przygotowywania podkładów malarskich opartych na gipsie oraz modelowania w wosku i glinie. Rzeźba Dawid, wykonana prawdopodobnie w połowie lat 70. XV w. przez Verrocchia, przedstawia młodego Leonarda. Verrocchio był także muzykiem, więc nie da się wykluczyć, że pod jego pieczą Leonardo rozwinął swoje zdolności muzyczne.

Poza powszechnym wówczas malowaniem temperą jajową zetknął się z techniką malarstwa olejnego. W pracowni Verocchia wszyscy współpracowali ze sobą, wymieniając się szkicami bądź rysunkami. Często jedno zlecenie wykonywała grupa artystów, przez co trudno ustalić autorstwo dzieł powstałych w kręgu Verrocchia. Na obrazie Tobiasz i anioł pies, ryba i włosy Tobiasza są dziełem Leonarda. W latach 1470-1473 Leonardo tworzył obraz Zwiastowanie, prawdopodobnie w asyście Dominika Ghirlandaio. Leonardo zarabiał w warsztacie Verrocchia 12 florenów rocznie. Do płacy podstawowej dochodziły zyski z prac wykonywanych na zamówienie.