Parmi les études conduites par Léonard sur les effets du monde naturel, celles qui ont trait aux ombres et aux lumières sont d’une grande importance non seulement dans son art mais également aussi en raison du  caractère scientifique original, promis à d’immenses échos.
L’expérience de Léonard, stimulée par les qualités optiques raffinées de la production flamande, marque un tournant décisif dans la tradition picturale florentine puis italienne.
Ce que l’on appelle communément le sfumato de Vinci – modelé vaporeux obtenu par un jeu savant du clair-obscur – permet un rendu fidèle de la nature, restituant le volume des corps, la profondeur des paysages et enfin, la justesse des couleurs, sujettes à d’infinies variations de ton selon l’orientation des surfaces.
Les théories de Léonard accordent un rôle prédominant des ombres sur la lumière : le Trattato de ombra e lume, commençé par Léonard, définit une typologie complexe des ombres, classées selon leur « qualité », « quantité », 
« mode », et « forme », puis subdivisées en « primitives », « dérivées » et « réfléchies ». La lumière quant à elle est étudiée selon les surfaces d’incidence et Léonard distingue « lumière » et « lustre ».