سنة 1502 التحق ليوناردو بخدمة تشيزري بورجا دوق منطقة رومانيا ابن البابا إسكندر السادس وكانت وظيفته رئيس المعماريين والمهندسين التابعين للدوق حيث أشرف على عمل خاص بالحصن التابع للمنطقة البابوية في مركز إيطاليا.
سنة 1503 أصبح عضو ضمن مجموعة من الفنانين مهمتهم تقدير المكان الأمثل لتمثال (دايفيد) المشهور من الصلصال والرخام والذي قام بنحته الفنان مايكل أنجلوسنة 1501 – 1504 في فلورنسا.
كما خدم ليوناردو في حرب ضد بيزا كمهندس، وفي نهاية العام بدأ ليوناردو بتصميم زخرفة لقاعة (فيتشيو) الضخمة حيث كان موضوع الزخرفة هو معركة أنغيارينصر فلورنسا ضد بيزا.
قام بالعديد من الرسومات وأنجز الرسم التمهيدي بالحجم الطبيعي على القاعة عام 1505 لكن مع الأسف ترك عمله دون إنجاز كما أن الرسوم كانت قد زالت بحلولالقرن السابع عشر ولم يبقى من عمله هذا إلا بضع مخطوطات وبعض الرسوم المنقولة عن الأصلية.
من أعماله المثيرة للاهتمام آنذاك كانت رسومه لشخصيات متعددة (صور لشخصيات تبرز الوجه) ولم ينج منها إلا لوحته الخالدة والأكثر شهرة على الإطلاق لوحةالموناليزا 1503 – 1506 الموجودة ضمن متحف اللوفر، وتعرف أيضا باسم الجيوكندا وهو من المفترض اسم العائلة الخاص بزوج السيدة.
من المعروف تأثر ليوناردو بهذه اللوحة وشغفه بها حيث لم يكن ليسافر دون اصطحابه لهذه اللوحة معه.