По свидетельству Бенвенуто Челлини Франциск I заявлял, что «никогда не поверит, чтобы нашелся на свете другой человек, который не только знал бы столько же, сколько Леонардо, в скульптуре, живописи и архитектуре, но и был бы, как он, величайшим философом». Несмотря на болезнь и постоянное внимание короля Франциска, который любил приходить к художнику без предупреждения приблизительно с такими словами: «Расскажи мне о душе», Леонардо ухитрялся кое-что делать в Амбуазе. Леонардо работал над гидравлическими проектами и планом нового королевского дворца, хотя из дошедших до нас записок скульптора Бенвенуто Челлини ясно следует, что его основным занятием была почётная должность придворного мудреца и советника как некогда Мерлин при дворе короля Артура.
К 65 годам силы Леонардо начали сдавать и он уже с трудом двигал правой рукой, однако продолжал работать, устраивая для двора всевозможные пышные празднества и даже проектировал соединение рек Луары и Соны большим каналом. 2 мая 1519 года Леонардо скончался 67 лет от роду в замке Амбуаз.
Вот как повествует о его последних часах жизни Леонардо знаменитый биограф мастеров Возрождения Вазари: "Будучи уже стар, Леонардо заболел и пролежал несколько месяцев, чувствуя близость кончины, он занялся исключительно истинами нашей святой католической религии. Скорбя о своих грехах, больной исповедался со смирением и, приготовляясь набожно принять причастие, приподнялся, хотя не мог стоять. Друзья и слуги поддерживали его, король, часто посещавший его по-приятельски, вошел как раз в эту минуту. Леонардо, весьма уважавший монарха, снова лег в постель и, рассказывая королю подробности своей болезни, просил прощения у Бога и людей в том, что не сделал для искусства всего, что мог бы сделать. Вдруг с ним сделался припадок судорог. Король встал и стал поддерживать ему голову, чтобы облегчить страдание, но божественный художник как будто почувствовал, что не может надеяться на ещё высшие земные почести, и испустил дух в объятиях короля". Вазари тут явно приврал, по другим сведениям в момент смерти Леонардо короля совсем не было в Амбуазе, он был в резиденции Сен-Жермен-ан-Лейе под Парижем.
Могила Леонардо да Винчи была забыта уже в XVII веке, в наше уже время могилу после долгих поисков обнаружил французский ученый Арсен Гуссе, которому удалось найти череп с сохранившимися восемью зубами и высоким челом, затем были найдены камни с полу стертыми буквами INC. Позже он нашел еще найти плиты с буквами LEO и DUS. Эти буквы, украшенные затейливыми арабесками очевидно гласили LEOnarDUS vINCius.