W październiku 1513 r. Leonardo przybył do Rzymu. Papieski architekt Giuliano Leno na zlecenie Giuliana de'Medici^[s] przygotowywał dla artysty pomieszczenia w Pałacu Belwederskim w Watykanie i co miesiąc wypłacał mu pensję. Da Vinci stworzył dla Giuliana emblemat opisany przez Paola Giovia jako pniak Medicich. W tym okresie przybywali tam także Bramante, Michał Anioł i Rafael oraz Atalante Migliorotti^[t]. W grudniu Leonardo zajął jedno z pomieszczeń w Pałacu Belwederskim.

Leonardo w swoich notatkach wspominał o poprawie kontaktów z rodziną. Wówczas przebywał w Rzymie jego przyrodni brat Giuliano da Vinci, który przyjechał do miasta w sprawach majątkowych. Odnowienie kontaktów miało na celu uzyskanie wstawiennictwa Leonarda u papieża, jednakże starania artysty były daremne.

Leonardo coraz rzadziej zajmował się malarstwem. Przeprowadzał eksperymenty, do których z dystansem odnosili się mu współcześni. Gdy papieżowi doniesiono o prowadzonych przez Leonarda sekcjach zwłok w szpitalu Santo Spirito, Da Vinci popadł z nim w konflikt^[u], kontynuował więc studia anatomii, badając zwierzęta. Zajmował się zagadnieniami grawitacji i kwadratury koła oraz badaniem skamielin, a także zjawisk burzy, wiatru i potopu.

Jego pomysły niejednokrotnie wywoływały w jego gościach więcej przerażenia niż podziwu, np. trzymanie w pudełku oswojonej szarańczy. Trzymał też w pudełku jaszczurkę, której przyprawił skrzydła, rogi i brodę, by przerażać znajomych.

Współcześni postrzegali go jako nieprzystającego do ich epoki. Artysta przechodził osobisty kryzys w wyniku odkrycia, że są rzeczy, których nie jest w stanie dokonać, czy też pojąć. Pogłębiały go także przejawy ludzkiej zazdrości i zawiści, z którymi coraz częściej się spotykał. Zapełniał strony swoich notatek komentarzami o zawiści. Potępiał kłamstwo, niewdzięczność, przemoc i pijaństwo, które ze względu na swoją wrażliwość z trudem tolerował. Chwilami jego notatki trąciły brakiem realizmu, gdy przedstawiał człowieka jako istotę, która jest naczyniem grubiaństwa.

Latem 1515 r., kiedy w Rzymie panował ogromny upał, Leonardo podupadł na zdrowiu. 8 października wstąpił do florenckiego Bractwa św. Jana^[v] na wniosek Gaiacqo, który za niego poręczył. Artysta został przyjęty większością głosów^[w], jednakże utracił członkostwo z powodu nieuiszczenia opłaty za wpisowe.

Wyjechał wówczas razem z papieską świtą do Florencji i Bolonii. Celem było spotkanie papieża z nowym francuskim władcą, Franciszkiem I^[x]. Najpierw przybyli do portu Civitavecchia, a 30 listopada wjechali do Florencji. Powitało ich około pięćdziesięciu najbardziej wpływowych obywateli miasta i przejechali pod specjalnie dla nich wzniesionym łukiem triumfalnym. Papież zorganizował spotkanie najwybitniejszych artystów^[y], aby wymienili się poglądami, co należy uczynić, by przywrócić Florencji dawną świetność. Rozprawiano głównie nad odnowieniem Palazzo Medici i kościoła San Lorenzo, w którym znajdowała się kaplica Medyceuszy.

7 grudnia papieski orszak wyruszył do Bolonii. Tam papież prowadził rozmowy z Franciszkiem I, a Leonardo poznał swojego przyszłego mecenasa. Król bardzo cenił artystę dzięki jego dziełu Ostatnia Wieczerza, które widział w Mediolanie^[z]. Na dworze francuskim w Bolonii znajdował się Artur Boissif, którego portret Leonardo wykonał 14 grudnia przy użyciu sangwiny. 17 grudnia papież wyjechał z Bolonii. Gdy protektor Leonarda zm. 17 marca 1516 r., artysta nie widział sensu pozostania w Rzymie. W sierpniu dokonał pomiarów w bazylice San Paolo Fouri le Maura i wyruszył do Francji.