Втори период във Флоренция
През април 1500 година Леонардо е във Флоренция. Започва вторият флорентински период от живота му, който продължава до средата на 1506 година, ако не се смята краткото прекъсване, когато той е на служба при Чезаре Борджия.
Докато Леонардо е в Милано, във Флоренция стават големи промени. На 8 април 1492 година умира Лоренцо Медичи. Същата година в Рим е избран нов папа - Родриго Борджия които приема името Александър VI. Две години по-късно, през 1494 година, във Флоренция избухва въстание срещу тиранията на Пиеро Медичи, сина на Лоренцо. В резултат се създават нови органи на държавно управление, въведен е данък върху недвижимите имоти, изгонени са лихварите. За известно време огромно влияние придобива доминиканецът Савонарола. Той изобличавал разкоша на богаташите и разпуснатостта на духовниците. Под негово влияние във Флоренция публично са изгаряни „безнравствени“ книги, картини, предмети на разкоша. Александър VI отлъчва Савонарола от църквата и на 23 май 1498 година бунтовният монах и неговите привърженици са обесени, а телата им - изгорени, „за да се разделят окончателно душите им с техните тела“.
Когато Леонардо се завръща във Флоренция, на власт са заможни семейства, противници както на Медичите, така и на Савонарола. През 1502 година за пожизнен галфониер (глава на републиката) е провъзгласен Пиетро Содерини. Положението на флорентинската икономика по това време е разклатено. Богатите търговци и фабриканти все повече влагат капиталите си в земя. Сред флорентинската интелигенция се засилват мистичните, идеалистичните течения. От мистична екзалтация е обхванат Ботичели, а Бартоломео дела Порта след смъртта на своя учител Савонарола четири години не взема четката и постъпва в манастир. Почитател на идеите на Савонарола е и Микеланджело.
Леонардо се чувства чужд на тази среда. Той усилено се занимава с геометрия и математически експерименти и почти се откъсва от живописта. Скоро след като пристига от Милано във Флоренция, той разбира, че трудно ще намери реализация на големите си технически замисли. Вероятно с това се обяснява постъпването му на служба при Чезаре Борджия - херцог на Валентинуа и незаконен син на папа Александър VI.
Непосредствено след завръщането си във Флоренция Леонардо да Винчи се установява в сервитския манастир Сантисима Анунциата. Монасите му предоставят жилище и ателие, в което, според Вазари, той рисува скицата „Богородица и Младенеца със света Ана и свети Йоан Кръстител“. Тя предизвиква такова възхищение, че „мъже и жени, млади и стари“ се стичат да я видят, „като че ли присъстват на голям празник“.
През 1502 година Леонардо да Винчи постъпва на служба при Чезаре Борджия, сина на папа Александър VI, като военен инженер и пътува заедно с неговата свита при обиколките му в Италия. Възложено му е да огледа крепостите и укрепленията и „да направи в тях промени и преобразования, каквито той сметне за необходими“. Той посещава градовете по адриатическото крайбрежие. Отива в Имола, когато тя е обсадена от въстаналите кондотиери. След това оглежда и големия район между Сиена и Фолинио. През този период Леонардо съставя редица карти. Те са създадени на първо място със стратегически цели, но на практика се оказват документи с голямо научно значение: наблюдателността на учения и геният на художника тук се сливат в едно органично цяло.
Службата при Чезаре Борджия е сравнително кратка и Леонардо се завръща във Флоренция на 5 март 1503 година. От това време е и писмото му до османския султан Баязид II, в което Леонардо предлага няколко свои изобретения и проекти, между които проект на мост, който да съединява Галата и Константинопол. Галата е предградие на Константинопол, в което живеели много генуезци. Първият (понтонен) мост през пролива е построен чак през 1836 година.
През 1503 година Флоренция воюва с Пиза, разположена по долното течение на р. Арно. Пиза контролирала излаза на реката в морето и Леонардо е нает да консултира отклоняването на Арно от Пиза, за да се остави обсаденият град без вода. Проектът е изоставен, но Леонардо се задълбочава в хидротехническите проучвания, като замисля начини да регулира течението на Арно по цялото ѝ протежение. Интересен проект за голям канал от Флоренция до крайморска Пиза е съхранен в „Атлантическия кодекс“.
На 18 октомври 1503 година Леонардо да Винчи отново се присъединява към гилдията на свети Лука и през следващите две години рисува големия стенопис „Битката при Ангиари“ в Синьорията, в съседство с правения по същото време от Микеланджело стенопис „Битката при Кашина“. През 1504 година участва в комисията, която премества против желанието на автора скулптурата „Давид“ на Микеланджело.
Конструкторските замисли в областта на авиацията, които вълнуват Леонардо през целия му живот, не го напускат и след като се завръща във Флоренция. Към 1505 година се отнася т. нар. „кодекс на полета на птиците“, който съдържа указание, че Леонардо замислял да извърши първия полет от Монте Чечери около Фиедоле. Особено го интересува по онова време въпросът за реенето във въздуха без размахване на криле и за използването в този случай на силата на вятъра.