Scrive Vasari nel 1550 a proposito di Leonardo: «Et fra questi modegli e disegni ve n’era uno, col quale più volte a molti cittadini ingegnosi che allora governavano Fiorenza, mostrava voler alzare il tempio di San Giovanni di Fiorenza, e sottomettervi le scalee senza ruinarlo; e con sì forti ragioni lo persuadeva, che pareva possibile, quantunque ciascuno, poi che e’ si era partito, conoscesse per sé medesimo l’impossibilità di cotanta impresa».

In realtà il progetto di Leonardo aveva già dei precedenti: pochi anni prima, nel 1455, l’ingegnere e architetto bolognese Aristotile Fioravanti (c. 1415-1486) con sistemi di rulli, travi e martinetti, aveva spostato con successo una torre in Bologna. Quest’ultimo aveva fra l’altro lavorato per amici o committenti di Leonardo, come i Bentivoglio, re Mattia Corvino d’Ungheria e Cosimo de’ Medici (tra il 1458 e il 1467 in Firenze).

Il progetto di Leonardo prevedeva di sopraelevare il Battistero su quattro scalini, come si vede anche in un disegno attribuito a Francesco Granacci (che si conserva nel Gabinetto Disegni e Stampe degli Uffizi) e in due ricostruzioni del Battistero ("Tempio antico di Marte, oggi di San Giovanni") pubblicate nei "Discorsi" di Vincenzo Borghini (Firenze, Giunti, 1584). Il modello è stato ricostruito nel 2007 ed è visibile presso il Museo del Bigallo nella sezione "Leonardo a Firenze".

Il Duomo di Firenze e, in particolare, la Cupola del Brunelleschi furono fondamentali per la formazione di Leonardo soprattutto per quanto riguarda la conoscenza dei principi dell’architettura religiosa e del funzionamento delle macchine da cantiere.

Questo interesse risulta evidente dai numerosi disegni di argani e gru e di templi a pianta centrale, dai promemoria relativi all'apposizione della sfera di bronzo dorato sulla Cupola da parte del Verrocchio e all'utilizzo delle viti brunelleschiane nel cantiere della cattedrale («Vuolsi portare una de le 3 viti di ferro de l’opere di Santa Liberata»), oltre che dagli schizzi di volte a spina pesce e di diversi elementi strutturali e decorativi.

Nel 1515 papa Leone X (Giovanni di Lorenzo di Piero de’ Medici, 1475-1521) per recarsi a Bologna e incontrare il nuovo re di Francia, Francesco I (futuro mecenate di Leonardo), soggiornò a Firenze, in Santa Maria Novella e poi nel Palazzo Medici di Via Larga. Il 30 novembre la città organizzò in suo onore straordinari festeggiamenti: alla scenografia e all’organizzazione dell’evento collaborarono anche vecchie e nuove conoscenze di Leonardo come Baccio d’Agnolo, Piero di Cosimo, Pontormo, Andrea del Sarto, Francesco Granacci, Jacopo Sansovino e Antonio da Sangallo il Vecchio.

Nacque allora l’idea di ristrutturare la zona di Firenze compresa tra Piazza San Marco e Piazza San Lorenzo, completando anche la facciata di quest’ultima chiesa.

Leonardo lavorò a un progetto articolato in più parti, che prevedeva i seguenti interventi: la costruzione di un nuovo palazzo mediceo (l'attuale Palazzo Medici Riccardi) di fronte a quello di Cosimo il Vecchio; la demolizione della chiesa di San Giovannino (edificata nel 1351, e tuttora esistente, con il fronte ristrutturato intorno al 1843, in Via Martelli all'angolo con Via Gori) e la sua ricostruzione di fronte al nuovo palazzo mediceo; una facciata per San Lorenzo, con l’ampliamento della piazza; un nuovo assetto per la zona di San Marco, comprese le Stalle Medicee che Leonardo definì, nel Codice Atlantico, "Stalle del Magnifico", poiché erano state volute da Lorenzo di Piero de’ Medici, nipote del papa ed eletto in quello stesso 1515 Governatore di Firenze. Tra il 1515 e il 1516 fu in effetti costruito un edificio tra San Marco e la Santissima Annunziata che corrispondeva allo schizzo di Leonardo. Nell’antica Via del Maglio (dal 1877 Via Lamarmora, nel tratto recentemente intitolato a Giorgio La Pira), alla metà del Cinquecento fu trasferito il Serraglio dei leoni. Nel 1592 Ferdinando I de’ Medici fece edificare le attuali scuderie. Ancora oggi il complesso architettonico, che include il Rettorato dell’Università, l’Istituto Geografico Militare e il convento della Santissima Annunziata, costituisce un’area di straordinario interesse per la visita e le ricerche dei luoghi riferiti a Leonardo.

Agli stessi progetti furono interessati anche altri architetti, come Antonio da Sangallo, Baccio d’Agnolo, e soprattutto Michelangelo, al quale fu poi commissionata la facciata di San Lorenzo, mai realizzata; il modello in legno è conservato nel Museo di Casa Buonarroti in Via Ghibellina.

Nel luogo in cui Leonardo aveva progettato, verso il 1515, il nuovo Palazzo Mediceo furono costruiti e ristrutturati successivamente gli attuali Palazzo Panciatichi, sede del Consiglio Regionale della Toscana, e Palazzo Capponi-Covoni. Notevole interesse riveste quest’ultimo, per un intreccio di rapporti tra i diversi proprietari, lo stesso Leonardo e famiglie storiche fiorentine, come i Tani e quindi i Portinari, direttori del Banco Medici a Bruges, attraverso cui Leonardo chiedeva informazioni relative al pattinare sul ghiaccio nelle Fiandre. Fra questi, ancora, si possono ricordare Andrea di Paolo Carnesecchi, console della Repubblica Fiorentina a Costantinopoli negli anni in cui Leonardo progettava il ponte per il sultano di quella città e, indirettamente, gli stessi Capponi, discendenti di quel Neri di Gino Capponi che, «essendo commissario generale dei fiorentini disfece le armate del duca di Milano alla battaglia di Anghiari» (raffigurata da Leonardo nel "sontuoso cartone" eseguito in Santa Maria Novella e ricordato nel ‘700 in Palazzo Medici Riccardi). Queste tracce risultano tanto più evocative in quanto la sede del Consiglio Regionale e il "Chanto di Via Largha" si trovano a pochi metri dalla "casa di Piero di Braccio Martelli" (dove oggi ha sede il Liceo intitolato a Galileo, confinante con l’Osservatorio Ximeniano, istituto specializzato in meteorologia e geofisica), in cui Leonardo trascorse molti anni del suo secondo periodo fiorentino.

Rientrato a Firenze nell'anno 1500, Leonardo fu consultato in merito al nuovo campanile di San Miniato, progettato da Baccio d’Agnolo, e ai problemi statici della sottostante chiesa di San Salvatore a Monte, quella che Michelangelo definirà «la bella villanella».

Fra le Carte Strozziane dell’Archivio di Stato di Firenze si legge il parere di Leonardo, verbalizzato dopo quelli di Jacopo del Pollaiolo, detto il Cronaca, e di Giuliano da Sangallo: «Lionardo da Vinci disse quanto ha San Salvadore et ha rimedi di quello secondo ha dato il disegno e per quello si vede da’ mancamenti dell’edifiti e dall’acque, che vanno tra le falde delle pietre insino dove si fanno i mattoni, e quivi in parte sono tagliate le falde, e quella parte dell’edifitio, dove sono tagliate le falde, et il mancamento, e che rifendendo e tagliando le falde si rimetterebbe. E tener nette le fogne».

Nel Codice Arundel, lo stesso Leonardo si era occupato delle rotture dei muri e dei loro rimedi: già per il Tiburio del Duomo di Milano aveva espresso nel Codice Atlantico la similitudine fra il medico e l’architetto in termini di "concordanza degli elementi". Leonardo considerava, infatti l'edificio come un organismo vivente bisognoso, se "malato", di un "medico architetto": «Sì come ai medici, tutori, curatori de li ammalati, bisogna intendere che cosa è omo, che cosa è vita, che cosa è sanità, e in che modo una parità, una concordanza di elementi la mantiene, e così una discordanza di quelli la ruina e la disfa; e conosciuto ben le sopradette nature, potrà meglio riparare che chi ne è privato […]».

«Fatevi dare la difinitione e riparo del caso al Santo e all’altro e vedrete che omini son eletti per medici di malatie da lor non conosciute» (f. 147v, P82).

Percorrendo via Santa Margherita a Montici, che dalla chiesa conduce a Piazza Calda e quindi scende fino alla Villa di Rusciano, si trova quella che era Villa La Torre, poi "La Bugia", appartenuta ai Guicciardini dal 1507 al 1634, quindi ai Nerli e infine ai Morrocchi. Fu costruita in antico dagli Amidei e il 4 settembre 1470 fu ceduta da Giovanni Francesco Amidei ad Agnolo di Lapo del Tovaglia, che tra il 1480 e il 1490 la fece ampliare e ristrutturare dall’architetto mediceo Lorenzo da Montaguto.

L’11 agosto 1500 Francesco Malatesta spedì da Firenze a Francesco II Gonzaga, che lo aveva incaricato di questo compito, il rilievo della villa eseguito da Leonardo, come progetto per eseguirne una replica. Il Malatesta precisa: «Mando alla Illustrissima Signoria Vostra el disegno de la chasa de Agnolo Tovaglia facto per man propria de Leonardo Vinci… El prefato Leonardo dice che a fare una cosa perfecta bisogneria trasportare questo sito che è qui, là dove vol fabrichare la Signoria Vostra… Non ho facto far colorire el disegno né fatoli anotare li ornamenti de’ verdura, di hedera, di busso, di cupressi, né di lauro, come sono qui per non parerme de molto bisogno: pur se la Signoria Vostra vorrà, il prefato Leonardo se offerisce a farlo così de pictura che di modello».

In effetti, l’architettura di questo complesso architettonico (con il nucleo della torre medievale, la villa con l’hortus conclusus, le serre e le limonaie), nonostante la discontinuità dovuta a rimaneggiamenti e aggiunte, è notevole, soprattutto in relazione all’ambiente paesaggistico dei colli fiorentini, come un balcone aereo sulla Val d’Ema.

Da segnalare, infine, come Bartolomeo del Tovaglia fosse uno dei banchieri ricordati da Leonardo in un promemoria del Codice Atlantico della fine del Quattrocento fra i suoi corrispondenti dalla Francia e dalle Fiandre.