В эти годы Леонардо увлекся созданием планов городов и топографических карт. Его работы того периода заложили основы современной картографии. В 1503 году он вернулся во Флоренцию, где руководил строительством канала, который должен был соединить город с морем. Проект так и не был осуществлен, однако современная автострада, соединяющая Флоренцию с морским побережьем, проложена точно по тому маршруту, который в свое время выбрал великий Леонардо.
Леонардо да Винчи создал свою знаменитую «Мону Лизу», работая над заказом для Зала Пятисот во Флоренции в 1503–1506 годах. Он был вынужден отложить работу над ней, когда ему пришлось вернуться в Милан по просьбе Шарля д’Амбуаза, наместника французского короля в Милане. В Милане Леонардо провел полгода, занимаясь архитектурными проектами и получая за них щедрое вознаграждение в сумме 400 дукатов в год. В это же время он завершил второй вариант «Мадонны в гроте».
После того как в 1513 году французы были изгнаны из Милана, Леонардо перебрался в Рим. Джулиано де Медичи, брат папы Льва X, предоставил ему жилье в своей резиденции в Бельведере, являющейся частью Ватикана. Леонардо получал жалованье, однако в отличие от Микеланджело, активно занимавшегося различными художественными и архитектурными проектами, работы для него практически не находилось.
Леонардо был приписан к армии Шарля де Монпансье Бурбона, коннетабля Франции, вице-короля Лангедока и Милана, имевшего в начале XVI века репутацию могущественного монарха. В 1519 году он заменил Леонардо да Винчи на посту Великого магистра Приората Сиона.
В возрасте 65 лет Леонардо да Винчи принял предложение юного короля Франции Франциска I поступить к нему на службу. Три последних года своей жизни великий живописец провел в небольшом имении Клу (позднее получившем название Кло-Люсе) неподалеку от летней резиденции короля на берегу реки Луары. Его официальное звание было «главный королевский художник, зодчий и механик». В это время его до известной степени принимали при дворе как почетного королевского гостя. Единственная картина, которую Леонардо успел завершить, — «Иоанн Креститель». Остальной материал того периода в основном представляет собой наброски, запечатлевшие эпизоды придворных праздников. Леонардо также разработал проект дворцового парка для королевы-матери, который, однако, так и не был воплощен в жизнь из опасений возможной эпидемии малярии.
Скончался Леонардо да Винчи 2 мая 1519 года в Клу и был похоронен в дворцовой часовне Сан-Флорентин. В период Великой французской революции она подверглась серьезному разрушению и позднее, в XIX веке, была окончательно снесена. Могилу Леонардо так и не нашли. Собственность художника перешла по наследству его преданному ученику Франческо Мельци.
