В 1501 г. агент Изабеллы фра Пьетро да Новеллара писал ей из Флоренции о том, что Леонардо да Винчи больше занят «математическими экспериментами», нежели живописью. В письмах он упомянул о двух работах Леонардо да Винчи – «Мадонне с веретеном» для секретаря короля Франциска I Флоримона Роберте (оригинал исследователям неизвестен, но сохранились его реплики, выполненные художниками школы Леонардо да Винчи, напрмер, в частном собрании в Нью-Йорке, 1501–1507 гг.; в собрании герцога Куинсберри, Драмланриг, Шотландия) и картоне с изображением Мадонны с Младенцем, святой Анной и ягнёнком (около 1501 г.). Картон, который был создан в ходе работы над алтарём для церкви Сантиссима-Аннунциата, утрачен. Его влияние прослеживается в ренессансной живописи, в частности, у Рафаэля («Святое Cемейство с ягнёнком», 1507 г., Прадо, Мадрид). Другая сохранившаяся версия картона из Берлингтон-Хауса (Национальная галерея, Лондон), а также повторяющий её подмалёвок Бернардино Луини (около 1530 г., Амброзианская пинакотека, Милан) значительно отличаются от описания фра Пьетро и окончательной живописной версии картины, хранящейся в Лувре (головы Девы Марии и святой Анны расположены на одном уровне, присутствует фигура Иоанна Крестителя в младенчестве). Исследователям известен также ряд подготовительных рисунков к этой композиции, которые датируются 1500–1507 гг. (Королевская библиотека, Виндзор). Летом 1502 г. Леонардо да Винчи был приглашён на службу к Чезаре Бордже в качестве военного инженера и архитектора, для которого он работал меньше года. За это время Леонардо да Винчи проехал значительную часть адриатического побережья – от Пезаро до Равенны – и многие области Центральной Италии, был в Урбино, Чезене, Пьомбино, Сиене. Для Борджи, в частности, была выполнена карта Имолы (Королевская библиотека, Виндзор), сделанная предположительно в период её осады. В марте 1503 г. Леонардо да Винчи вернулся во Флоренцию, где консультировал работы по отводу реки Арно от Пизы, параллельно разрабатывал проект строительства канала между Пизой и Флоренцией, который позволил бы урегулировать бурное течение реки. От гонфалоньера Республики Пьеро Содерини Леонардо да Винчи получил почётный заказ на исполнение фрески «Битва при Ангиари» в зале Большого совета Палаццо-делла-Синьория, которая должна была увековечить победу, одержанную в 1440 г. над Миланом (над парной композицией (сценой битвы при Кашине) с 1504 г. работал молодой Микеланджело; не была осуществлена). Работа Леонардо да Винчи дважды прерывалась: осенью 1504 г. он был направлен в Пьомбино для инспекции фортификационных сооружений, в мае 1506 г. на несколько месяцев отлучался в Милан. В 1505 г. картон был завершён, и Леонардо да Винчи начал работать над фреской. Однако экспериментальная техника, выбранная для создания росписи, не способствовала её долговечности. Остатки завершённой части погибли в 1560 гг., когда оформление зала было полностью видоизменено ДЖ. Вазари. Общая композиция центральной группы, изображающей жестокую схватку всадников, известна благодаря гравюре Лоренцо Дзаккии и так называемой Tavola Doria (около 1505 – 1506 гг., частное собрание; до 1939 г. принадлежала римскому семейству Дориа) – анонимной копии с картона Леонардо да Винчи.