Leonardo setzte sein unstetes Wanderleben fort. Ab 1506 lebte er mit Unterbrechungen in Mailand, wo er sich mit anatomischen Studien befasste. 1513 reiste er nach Rom, wo er sich des Mäzenatentums von Giuliano de’ Medici, dem Bruder des kurz zuvor gewählten Papstes Leo X. erfreute. Leonardo hoffte auf lukrative Aufträge, doch sein verhasster Rivale Michelangelo war ihm zuvorgekommen: er hatte mittlerweile die Decke der Sixtinischen Kapelle im Vatikan vollendet. Leonardo musste sich mit weniger aufwendigen Projekten begnügen. In Rom entstand auch sein wahrscheinlich letztes Gemälde, "Johannes der Täufer".

Der Aufenthalt in Rom verlief für Leonardo wegen der mangelnden Anerkennung enttäuschend. Dazu kam der Tod seines Mäzens Giuliano de’ Medici. Durch einen kuriosen Zufall erlangte der umtriebige Künstler die Gunst des französischen Königs Franz I.. Bei einem Bankett in Lyon wurde diesem ein mechanischer Löwe, den Leonardo konstruiert hatte, präsentiert. Der König zeigte sich beeindruckt und lud den Künstler ein, nach Frankreich zu kommen. Ab 1517 arbeitete Leonardo am Hof des Königs im Schloss in Amboise, wo er ein eigenes Haus erhielt.

In seinen letzten Jahren befasste sich Leonardo fast ausschließlich mit wissenschaftlichen Experimenten und architektonischen Entwürfen. Am 2. Mai 1519 verstarb Leonardo in Amboise. "Wie ein gut verbrachter Tag einen angenehmen Schlaf gibt", so hatte er früher in einem Text notiert, "so gibt ein gut genutztes Leben einen heiteren Tod."