Bien que resté inachevé, ce tableau légèrement endommagé au fil des siècles, donne un aperçu de l’idée initiale de Léonard.
Le saint est représenté comme un pénitent dans le désert, ici suggéré par un sobre paysage aux quelques formations rocheuses. Saint Jérôme, l’air douloureux, est agenouillé presque au centre du tableau. Sa main gauche, tournée vers le corps, touche l’ourlet de l’habit ouvert, alors que sa main droite tient une pierre et s’apprête à porter un coup. On reconnaît sur la poitrine maigre et osseuse, un endroit plus sombre, près du cœur – sans doute une blessure sanglante que le saint s’est faite en pénitence. Un lion allongé juste devant saint Jérôme – son animal domestique et attribut, parce qu’il lui avait enlevé une épine de la patte – semble assister aux événements, la gueule béante.
Le visage de saint Jérôme apparaît de trois quarts : émacié, tendu, il atteste l’attention portée par le peintre à l’étude de la mimique faciale. Le sens de l’imploration qu’il communique est renforcé par la posture du corps. La présence du visage est très forte, sur le fond noir de la grotte qui ferme le paysage rocheux, voilé de brume.
Le temple fournit l’orientation perspective de la scène, en suggérant le point de vue de référence, également pour l’observation du saint.
Le regard de saint Jérôme est dirigé, de manière presque imperceptible, vers un crucifix érigé parallèlement au bord droit du tableau. Il met ainsi sa propre souffrance de pénitent en relation avec la Passion du Christ et donc la souffrance du Messie.

Dans sa conception de saint Jérôme, Léonard formule des idées artistiques qui l’occuperont plus tard aussi du point de vue théorique et ‘scientifique’. Le personnage correspond au genre le plus simple de motif « en mouvement » que l’on étudiait dans les ateliers d’artistes : l’orant. des figurines en terre ou en bois servaient de modèle aux exercices de dessin des apprentis. En outre, Léonard thématise avec saint Jérôme des idées plus avancées. Dans l’expression de la souffrance du saint se reflètent les idées contemporaines concernant la physionomie et la physiologie, que l'artiste transcrira et développera quelques années plus tard. On peut également reconnaître, dans la représentation des muscles et des tendons des épaules et du cou, l’intérêt de Léonard pour l’aspect anatomique du corps humain.