1464 год для безмятежного мальчика стал годом прощания с родными краями. Смерть мачехи Альбиеры Амадори, которая умерла от родильной горячки, вскоре после смерти дедушки, показала синьору Пиеро, что его ничто больше не связывает с родными местами в Винчи, и он решил переселиться во Флоренцию. Годом позже отец женился на Франческе Ланфредини, происходившей из уважаемой флорентийской семьи, и в 1469 году вместе с семьей навсегда покинул Винчи. Только дядюшка Франческо остался в поместье на холме. Решение послать Леонардо во Флоренцию, было, по-видимому, принято сразу после смерти деда, самое позднее в 1465 или 1466 году. Пиеро отобрал несколько лучших рисунков Леонардо и обратился к Андреа Верроккьо, одному из известных художников и скульпторов города, с просьбой высказать свое мнение о них. Как пишет Вазари, «Верроккьо был удивлен таким экстраординарным дебютом мальчика и побудил Пиеро дать разрешение ему на обучение этой профессии». Так, Леонардо с малым интеллектуальным и художественным багажом, полученным на родине в деревне Винчи, вступил в мастерскую Верроккьо, где должен был провести следующие 12 лет своей жизни.

Верроккьо очень ценил Лоренцо иль Магнифико; он давал ему много заказов, и его мастерская во Флоренции была одной из самых процветающих. Верроккьо (его настоящее имя Андреа дель Чони) был 31 год, когда он вошел в жизнь Леонардо. Он был ответственным человеком с «четырехугольным, несколько припухшим лицом и тонкими губами», подчеркивавшими строгость и сдержанность в проявлении чувств. Таким он предстает на портрете, написанном Лоренцо ди Креди в 1485 году. Это впечатление не случайно. Дело в том, что еще мальчиком, вместе со сверстниками своей улицы он сразил камнем сорокалетнего прядильщика шерсти, за что был осужден и заключен в тюрьму. Эти трагические события, прежде всего смерть невиновного, потрясли его до глубины души, и теперь, чтобы смыть грех перед Богом, он видел свой долг в постоянном труде и бескорыстной заботе о членах своей семьи, живших в большой бедности. Когда Леонардо познакомился с работающим с «силой и упрямством быка» мастером, то с самого первого дня скромно подчинился дисциплине и духу своего учителя, имевшего намерение обучить его существовавшим ранее традиционным способам смешивания цветов, подготовки литья, а также рисования, раскраски и гравировки. Если ученики владели некоторыми теоретическими познаниями в области математики, геометрии и анатомии, то все равно вынуждены были оставаться ремесленниками, потому что в ученых кругах не прощалось отсутствие знания латинского языка, философии и художественной литературы. Это вызывало у Леонардо внутренний протест против надменных «ученых», которых он презрительно называл шарлатанами. Но, с другой стороны, он получил стимул к ликвидации пробелов в знаниях, наверстывая упущенное в прошлом всеми возможными способами.

Вскоре Леонардо вместе с Лоренцо ди Креди и Пьетро Перуджино стал любимым учеником Верроккьо, который всегда ставил перед ними ответственнейшие задачи, даже такие, как изображение фигуры, ангела из «Крещения Христа». Уже в 1472 году Леонардо становится членом гильдии художников. Гильдия святого Лукаса, объединявшая, в основном, врачей, аптекарей и художников, находилось в госпитале Святой Марии Нуова, где Леонардо, вероятно, впервые представился удобный случай изучать анатомию человеческого тела. Нельзя забывать также, что в те времена организация медицинского дела во Флоренции была лучшей во всей Италии. Мартин Лютер в своей «Застольной речи» о путешествии по Италии говорил: «Во Флоренции я увидел, что больницу содержат образцово. Госпитали в Италии очень хорошо отстроены и превосходно снабжены питьем и пищей; в их распоряжении образованные врачи и усердная прислуга. Кровати изумительно чистые, а помещения прекрасно оформлены… Итак, в этих домах происходят подобные метаморфозы и наблюдаются качества, присущие прежде всего детям — оживленность, отличное питание, необходимые наставления и обучение».

После получения образования Леонардо, как член гильдии художников, еще долгое время оставался во Флоренции в мастерской Верроккьо, хотя общество товарищей, в кругу которых он находился, его больше не удовлетворяло. Поэтому он начал совершать продолжительные прогулки по окрестностям Флоренции, во время которых запечатлевал на бумаге угольным карандашом красоту природы. Сильвия Альберти де Маццери упоминает о рисунке того времени, датированном 5 августа 1473 года. Хотя в те годы Леонардо еще не излагал свои мысли и наблюдения письменно, но все равно можно предположить, что, вероятно, уже тогда он мог вступить в контакт с некоторыми учеными и философами Флоренции. То, что он фактически оформил совокупность гуманистических идей, которые не всегда совпадали с догматической идеей мирового христианства, доказывают строки из упоминавшейся неоднократно биографии, написанной Вазари: «Философствуя о явлениях природы, он подошел к еретическим представлениям, которые были уже не совместимы с религией».

В те дни мастерская Верроккьо была своеобразным местом встреч, имевшим притягательную силу для молодых художников Флоренции. Здесь не только дискутировали и иногда критиковали значительные художественные работы на стадии их создания, но и обсуждали философские вопросы, в особенности учение и комментарии флорентийского врача Марсили Фичино, руководителя платоновской академии во Флоренции. Эпоха итальянского Возрождения стала временем постоянных искусствоведческих обновлений и открытий в искусстве и характеризовалось стремлением приблизиться вновь к мнимым возвышенным целям, а именно к античному идеализированному образцу. Но, по мнению Леонардо, принимать искусство прошлого в качестве образца недостаточно, и поэтому у художника появляется много вопросов о том, что необходимо обновлять и улучшать его. В этом он был последователем знаменитого Джотто, который считал, что «недостаточно имитировать произведения своего мастера Чимабуэ». Аналогичным образом Леонардо пытался превзойти своего учителя мастера Верроккьо, хотя испытывал к нему чувство благодарности и с его стороны ощущал отеческую заботу.

В своих частных житейских проявлениях Леонардо был типичным сыном своего времени. Усовершенствование социальной структуры развивающегося и очень сильно разрастающегося города Флоренции повлияло на женскую и мужскую моду. Мужчины не уступали дамам в щегольстве, пышности и кокетстве. Эта тяга к модной новизне овладела даже Леонардо. Он постоянно надевал, как подчеркивает де Маццери, одежду элегантно строгую, оказывая предпочтение сочным и ярким цветам. В те годы, когда он учился у Верроккьо, он не мог позволить себе особенно дорогие и модные ткани и вещи. Но, кажется, уже тогда, как думает Серж Брамли, он «упражнялся в изысканности и в том, что называют „дендизм“». Леонардо подчеркивает в одной из своих записей: «Кто желает видеть, как живет душа в теле, тот наблюдает, как тело ежедневно использует свое пристанище. Если это пристанище грязно и запущенно, то и душа, пребывающая в теле, также грязна и запущенна».

С расширением свободы передвижения и повсеместного проживания общественная жизнь в республиканской Флоренции характеризуется расшатыванием нравов и манерами, которые до сих пор воспринимаются как распутство. Это относится прежде всего к гомосексуализму, очевидно распространенному в те времена и воспринимавшемуся с ярко выраженной снисходительностью, потому что гуманистические представления того времени заключались в повторении обычаев и нравов, существовавших в античности. Знаменитый современный поэт Лудовико Ариосто, автор «Неистового Роланда», придерживался даже взгляда, что «все ученые рано или поздно занимались гомосексуализмом». Во Флоренции, как пишет Маццери, в те времена легко было встретить в городских садах загримированных или даже переодетых в женские одежды мужчин, которые прогуливались, нежно обнимая друг друга.

Хотя к гомосексуализму в обществе относились терпимо (в группы молодых людей развратного поведения входили и члены таких знатных семейств, как Медичи и Сроцци), тем не менее это считалось преступлением. Способы, с помощью которых устанавливалась виновность мужчин-гомосексуалистов, были довольно странными. Власть опиралась, прежде всего, на анонимные заявления, которые были равносильны доносам, они хранились в специальных «почтовых ящиках» tamburi или buchi della verita — уста истины). Естественно, что с помощью доносов было легко обвинить, например, нелюбимых соседей, которые должны были доказать свою невиновность или отречься от собственного имени. Случаи анонимных обвинений в гомосексуализме во Флоренции находились в компетенции «офицеров тьмы и святой обители» — предшественников современной полиции нравов, которые, детально расследовав дело, арестовывали виновных и отдавали под суд.