In una lettera del 1482, conservata nel Codice Atlantico presso la Biblioteca Ambrosiana di Milano, Leonardo offre i propri servigi a Ludovico il Moro, tutore dell’allora duca di Milano, Gian Galeazzo, ed effettivo reggente del potere ducale. Nella lettera, Leonardo si presenta come ingegnere militare, esaltando le proprie competenze tecniche e, solo marginalmente, quelle artistiche. Nella stessa lettera, il Vinci lusinga il Moro con la promessa di un monumento equestre in onore di Francesco Sforza, primo duca di Milano e padre di Ludovico.

Effettivamente, Leonardo viene citato in una lista di "mercanti" fiorentini arrivati alla corte di Milano dopo il 15 giugno del 1480.

Verisimilmente, Leonardo sarebbe stato chiamato a Milano da Ludovico il Moro con l’incarico di eseguire il monumento a Francesco Sforza.

La commissione, datata 25 aprile 1483, per la coloritura dell’ancona dedicata all’Immacolata Concezione, stipulata dal priore della Cappella della Concezione, nella Chiesa di San Francesco a Milano, confermerebbe, per quell’anno, la presenza di Leonardo alla corte sforzesca. Una clausola del contratto, che avrebbe permesso all’artista di affidare ad altri la conclusione del proprio lavoro, nel caso in cui egli avesse lasciato la città, suggerisce però che, all’epoca, la sistemazione presso il Moro non potesse ancora considerarsi definitiva.

La storia della Vergine delle rocce è disturbata da un’annosa vertenza legale, che si concluderà solo nel 1508: il contratto tra il priore, da un lato, e Leonardo, in società con i fratelli De Predis, dall’altro, stabiliva che i lavori per la realizzazione della tavola d’altare raffigurante la Madonna dovessero terminare entro l’8 dicembre dell’anno successivo; su un foglio allegato, redatto da una seconda mano, erano inoltre minuziosamente descritti i soggetti che dovevano essere dipinti sulla tavola, con i colori e le tecniche necessari alla realizzazione. La descrizione della commissione non corrisponde affatto ai due esemplari oggi esistenti, conservati rispettivamente al Louvre e alla National Gallery. La critica ha individuato nella versione londinese la tavola che effettivamente doveva essere collocata sull’altare dell’Immacolata Concezione a Milano, ma è evidente la divergenza dell’opera dai dettami tecnici del contratto. Non si può affermare che la mancata corrispondenza offrì ai committenti il pretesto per non saldare il debito con gli artisti ma quel che è certo è che, in diverse occasioni, Leonardo e i De Predis sollecitarono il pagamento, fino a dare inizio ad una causa legale.

Negli anni trascorsi a Milano, Leonardo iniziò i propri studi di anatomia e si interessò di architettura, partecipando, con un modello ligneo, al concorso per la costruzione del tiburio della cattedrale di Milano. Nel 1490, si recò a Pavia, per offrire la propria consulenza in merito alla costruzione del duomo al fratello del Moro, il vescovo Ascanio Sforza.

Contemporaneamente, realizzò alcuni ritratti, tra cui la cosiddetta Dama con l’ermellino, Il musico e La Belle Ferrovière, supremi esempi degli studi di Leonardo, ormai giunti a compimento, sulla resa dei "moti mentali" e sulla torsione del busto.

Nel 1490 Leonardo diede nuovamente inizio ai lavori per la realizzazione della statua equestre. Dopo soli tre anni, nel 1493, in occasione del matrimonio della figlia del Moro con Massimiliano d’Asburgo, fu presentato il modello in creta del monumento.

Sono da ascriversi a quel periodo gli esordi di Leonardo nel ruolo di regista di feste e scenografo teatrale, insieme alla stesura iniziale del suo incompiuto Libro di pittura.

In data 16 luglio 1493, Leonardo registrò tra i propri appunti l’arrivo a Milano di una tale "Catelina" (Codice Forster III, f.88r), che la critica oggi tende ad identificare con la madre. Per forse meno di un anno, la donna avrebbe vissuto insieme al figlio, fino alla morte, ricordata da Leonardo in una serie di conti relativi alle spese sostenute per il suo funerale (Codice Fortser II, f. 64v).

Nel 1494, in occasione della calata di Carlo VIII, il Moro decise di inviare a Ferrara, per la costruzione di cannoni, il bronzo destinato alla statua equestre di Leonardo. Nonostante le tensioni, l’artista restò in città, dedicandosi ai lavori del Cenacolo, affresco commissionatogli per il refettorio del convento domenicale di Santa Maria delle Grazie, mausoleo della famiglia Sforza.

Alla fine del 1497, Leonardo completò il Cenacolo, che il Vasari celebrò come «cosa bellissima e meravigliosa». Il successo ottenuto per la realizzazione della pittura murale contribuì, senza dubbio, a ristabilire un certo equilibrio nei rapporti con il Moro. Tuttavia, in seguito all’invasione del ducato da parte di Luigi XII di Francia, Leonardo preferì lasciare la città.