La chiesa di Santa Croce, menzionata nei documenti almeno a partire dall'anno 1132, era in origine una semplice architettura romanica alla quale fu aggiunto un porticato a colonne tuscaniche. In onore di Leonardo, nel IV centenario della sua nascita (1852), fu decisa la realizzazione dell’attuale campanile. Negli anni Venti del Novecento, fu iniziata la ristrutturazione in stile neo-rinascimentale dell'intero edificio, su progetto di Giuseppe Gullino. Nel 1952, l’Oratorio della Compagnia del Corpus Domini fu trasformato in battistero seguendo il raffinato progetto di Giulio Arata, il quale re-interpretò l’antico in una sorta di purismo razionalista e metafisico.

Come attesta un’importante memoria del nonno, ritrovata nel 1931 e pubblicata solo nel 1939, Leonardo fu battezzato presso il fonte di questa chiesa e non nel battistero della Pieve di San Giovanni Battista a Sant’Ansano in Greti, abitualmente utilizzato dagli abitanti della zona nel XV secolo. A ricordo dell’evento, nell’odierno battistero della Chiesa di Santa Croce, si trova un lapide che riporta il testo del nonno ser Antonio da Vinci. In questo fondamentale documento sono indicati i nomi del celebrante («prete Piero di Bartolomeo da Vinci») e di ben 5 padrini e 5 madrine, tutti abitanti a Vinci, nei pressi della casa paterna di Leonardo.

Fra i dipinti conservati all’interno della chiesa, un’antica tradizione attribuiva a Leonardo una grande tela intitolata alla Natività della Vergine, che invece risulta essere datata 1562 ed è opera del manierista Francesco Brina o della sua cerchia.

Anche nell’Oratorio della Santissima Annunziata, situato subito fuori l’antico borgo di Vinci, una tradizione attribuiva a Leonardo la grande pala d’altare raffigurante l’Annunciazione, opera invece realizzata da Fra’ Paolino da Pistoia, seguace di Fra’ Bartolomeo.