1452年4月15日，列奥纳多出生在意大利托斯卡纳地区的芬奇镇。母亲是一个女仆，名叫凯特里娜，生养他时才16岁。父亲塞尔·皮埃罗则是当地的公证人（律师）。小列奥纳多出世后不久，塞尔·皮埃罗又与当地的一名财产继承人阿碧拉成婚，而凯特里娜在把儿子的抚养权交给皮埃罗后，自己则嫁给当地的一个牧牛人。皮埃罗和他的新夫人很少花时间照看婴儿，而是委托他的祖父母和舅舅弗朗西斯科代为看管。
列奥纳多在童年时就表现出超乎寻常的天赋，他拥有一副动听的歌喉，并很快就学会了弹奏七弦琴；他还善于骑马，并且对数学表现出异常的兴趣。列奥纳多还喜欢一个人到芬奇镇外的乡村漫步，随身还携带着一本记事本，上面记录着许多行星和动物的素描，令人惊叹不已。