Vasari racconta che ser Piero, dopo avere inutilmente tentato di fare compiere al figlio studi regolari, si vide costretto ad assecondarne la vocazione artistica, inviandolo a bottega presso il Verrocchio.

Leonardo risulta, in un registro datato 1472, tra gli iscritti alla Compagnia di San Luca, confraternita fiorentina, fondata nell’ambito dell’Arte dei Medici e degli Speziali, che riuniva i pittori allo scopo di offrire loro una forma di tutela. Pur non conoscendo con certezza la data della sua partenza da Vinci, si può supporre verisimilmente che egli abbia cominciato a lavorare nello studio di Andrea Verrocchio negli anni sessanta del Quattrocento e che la sua iscrizione alla compagnia di San Luca risalga alla fine del decennio: termine ante quem è infatti un registro pergamenaceo della Compagnia, datato 1469, in cui Leonardo non viene citato.

L’esperienza di bottega lasciò in Leonardo un’impronta innegabile. I segni dell’influenza di Verrocchio sono già riconoscibili nei panneggi ridondanti dell’Annunciazione, risalente al 1472.

Ad una tradizione della pittura fiorentina cui Verrocchio fa costantemente riferimento si accosta anche il primo disegno datato di Leonardo: si tratta di un disegno ad inchiostro, raffigurante un paesaggio della valle dell’Arno, su cui Leonardo appose la scritta «adì 5 d’aghossto 1473», probabilmente perché particolarmente soddisfatto del proprio lavoro e determinato a tramandarne la memoria. Il disegno rappresenta un tipico esempio di paesaggio "alla fiamminga", caro al Verrocchio, che nel suo Battesimo di Cristo recupera alcune soluzioni adottate da Leonardo nel disegno del 1473, tra cui la resa di una parete rocciosa fatta di massi squadrati, l’attenzione particolare rivolta ai riflessi dell’acqua colta in movimento, e il disperdersi dello sguardo in profondità verso l’orizzonte. Tuttavia, nonostante l’indubbio ascendente nordico, il disegno di Leonardo rivela sorprendenti novità rispetto alle figurazioni, coeve e successive, di paesaggio: l’applicazione grafica del principio della "prospettiva aerea" e l’impostazione curva, che sembra quasi deformare il paesaggio, anticipano caratteristiche che saranno ricorrenti nelle opere del maestro vinciano.

Inedita è la visione di paese che prospetta il foglio 8P degli Uffizi. Quantunque ancora vi s’avverta quell’ascendente nordico che tanta presa aveva allora sugli artisti fiorentini, indubbio è lo scatto che vi si registra al cospetto delle coeve (ma anche successive) figurazioni di paesaggio. Datato al 5 d’agosto del 1473, il disegno è un attestato dei precoci interessi di Leonardo nei riguardi d’una presa diretta della natura. Raffigura la Valdinievole e il Padule di Fucecchio dal Montalbano. Paesaggio dal vivo, dunque; dove a stupire di più è il palpito di vita che l’artista, con largo anticipo sugli altri, riesce a infondere alla veduta di terre, liricamente evocando gli effetti del vento sulle balze e sulle fronde.

Nel dicembre del 1478 Leonardo - a suo stesso dire - comincia a dipingere «due Vergini Marie». Il soggetto è di quelli più frequentati. Dalla stessa bottega del Verrocchio uscirono tante Madonne col Bambino d’altissima poesia. Nel disegno col bimbo irrequieto in braccio a una Vergine fanciulla, l’artista tiene fede alla linea espressiva del maestro e del suo giro, ma impone ai protagonisti (ritratti con rinnovato naturalismo) una gestualità ch’è specchio dei sensi dell’animo. Imprime loro, cioè, quel "moto" e quel "fiato" che sono tratti peculiari dell’arte vinciana e che furono determinanti per la nascita della "maniera moderna".

"Maniera" che ancor più decisamente troverà un preannuncio nel foglio preparatorio per l’Adorazione dei magi (1481), dove, pur nelle ridotte dimensioni del supporto, trovano agio di manifestarsi (e al massimo grado) quei caratteri di dinamismo, patetismo e varietà, che rappresentano gli assi portanti d’una lingua figurativa che prenderà campo una ventina d’anni dopo.

L’Archivio di Stato di Firenze conserva le due denunce anonime, una del 9 aprile 1476, l’altra del 7 giugno dello stesso anno, con cui Leonardo venne accusato di sodomia. I due atti si sono rivelati preziosi perchè, identificando «Lionardo di ser Piero da Vinci» come colui che «sta con Andrea del Verrocchio», sono attualmente le uniche prove documentarie del suo apprendistato presso Andrea Verrocchio.

L’accusa di sodomia evidentemente non compromise la fama di Leonardo, se nel 1478 questi ottenne una prestigiosa committenza pubblica per la pala d’altare della Cappella di San Bernardo in Palazzo Vecchio che, comunque, non fu mai portata a termine.

In quegli stessi anni, Leonardo lasciò testimonianza della propria opera in alcuni dipinti: il mutilo Ritratto di Ginevra Benci (conservato alla National Gallery di Washington), commissionatogli da Bernardo Bembo e, come lo stesso Leonardo ricorda in un appunto di proprio pugno, datato 1478, «le 2 Vergini Marie», una delle quali può probabilmente essere identificata nella Madonna Benois dell’Ermitage di San Pietroburgo.

Di poco precedente è il Battesimo di Cristo del Verrocchio, in cui si può riconoscere l’indubbio contributo di Leonardo: la posa dell’angelo in rotazione, costruito su tre assi diversi, richiama alcune figure dell’incompiuta Adorazione dei magi, da identificare nella tavola per l’altare maggiore commissionata dai monaci agostiniani di San Domenico a Leonardo con un documento del 1481.