大约在1507-08年，法王路易十二委托达芬奇将《圣安娜》草图再修改完成，因为法王想要以此画献给他名叫安娜的第二任妻子。因此达芬奇重拾1501年的构图，开始以油画着手《圣母子和圣安娜》，可惜这件作品一直到他临终时尚未全部完成，目前收藏于卢浮宫。
这幅《圣母子、圣安娜和施洗约翰》构思和前述《伯灵顿学院大型草图》相近，但题材上更接近达芬奇1501年在佛罗伦斯绘制的那一幅，因为达芬奇以羔羊代替了施洗约翰的位置。
图中人物的安排更加集中，形成一个以安娜为顶点的三角形构图。为了达到这个结构，达芬奇甚至让玛利亚不合常理的叠坐在安娜腿上，使二人紧密结合成的重心有力的凝聚了画面，平衡着画面聚、散两种力量— 左边的圣安娜、玛利亚和右边的圣婴和羔羊。人物的安排十分特别﹕安娜怀中坐着玛利亚，而玛利亚向前欲意抱回圣婴，圣婴则紧抓着象征牺牲的羔羊﹕四个人物成串似的一个抱着一个，而其中却包含了严肃的宗教意涵和复杂的人类情感。抱着羔羊的年幼耶稣俨然已经义无反顾地选择了为人受难的未来；身体前倾意欲拉回孩子的玛利亚表现出作为慈母的人性，似乎不忍孩子牺牲的命运而意图阻止。圣安娜安详而超然地望着眼前的景象，她的容貌令人想起蒙娜丽莎，脸上微笑却是欢喜而慈悲的。
从圣母的衣袍和手部的简略来看，作品显然尚未完成。背景仍然采用了空气远近法，除了右后方的一棵树之外，达芬奇尝试以单纯化的素材—山岩结构和水流—来营造背景空间，结果造就了一个变化丰富、层次分明、山川氤氲的世界（只是略显荒凉），乍看之下颇像中国山水画。不论这幅《圣安娜》油画，还是前述的《伯灵顿草图》，其巧思都间接印证了达芬奇1501年在佛罗伦创作的草图之所以引起轰动是有道理的。
1510年左右，达芬奇构思了以希腊神话为主题的《丽达与天鹅》（1510-15），在他的笔记中可见到完整的草图和丽达发式的习作。可惜达芬奇的原作已经遗失，目前流传下来的几幅油画只是学生和后人的仿作。
在米兰期间，达芬奇也结识了两个对他影响深远的年轻人，一是为达芬奇的解剖研究开启了新方向的帕维亚大学解剖学教授托尔（Marcantonio della Torre）；一个是房东儿子也是年轻画家的梅济（Francesco Melzi），后来成为达芬奇的入室弟子，并在他晚年如亲人般照顾他，继承了他的大量手稿。
达芬奇在1511年受米兰佣兵吉安．特里夫吉欧 （Gian G.Trivulzio）之托制作一座骑马雕像。不过这件作品又因为1512年米兰遭瑞士、西班牙、威尼斯和教宗国组成的联军攻入而无法继续。法国人被逐的同时，达芬奇也再次失去了雇主。而此时已经六十岁的达芬奇，亟需一个安定的生活和稳定的收入。所幸在1513年达芬奇受教宗邀请，一行人离开米兰前往罗马。@*
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