Леонардо задумал построить композицию своей картины согласно законам геометрии. Фигуры расположены так, чтобы зритель легко охватывал взглядом отдельные группы, симметрично помещенные вокруг оси картины, проходящей через центральную фигуру Марии с ребенком, которая вместе с тремя волхвами вписывается в пирамиду. Для достижения впечатления движения, помимо фигур первого плана, Леонардо использовал высокую лестницу, ведущую к развалинам. На заднем плане происходит ожесточенное сражение конных воинов, придающее эмоциональное напряжение происходящему. После того как композиция была разработана, художник приступил к написанию самой картины. У Леонардо уже сложилась своя живописная манера. Он отказался от традиционной темперы, которая позволяла только расцветить изображение, но не давала впечатления глубины, объемности пространства. Леонардо, как мы уже упоминали, пользовался масляными красками. Они позволяли скрупулезно моделировать объем и ложились прозрачными слоями (лессировками). Первый слой Леонардо выполнял одним цветом (серым или коричневым), используя свет и тень, создавал форму, строил композицию картины. Получив требуемое светотеневое соотношение изображения, он наносил на него тонким слоем масляные краски, сквозь которые едва просвечивал подмалевок. Этим художник приближал изображение к реальности и избегал жесткости и резкости, свойственных живописной манере художников XV века.
Несмотря на весь художественный талант да Винчи, работа над картиной продвигалась медленно. Монахи Сан-Донато торопили Леонардо. Со средствами у него было тяжело, новый аванс он получить уже не мог. Недовольство заказчиков росло.
С 1479 г. в Милане, одном из крупнейших итальянских городов, правил герцог Людовико Сфорца, прозванный Моро (т. е. «мавр»). Он слыл щедрым покровителем наук и искусств. К 1482 г. положение Леонардо во Флоренции стало шатким. Лоренцо Медичи разочаровался в нем, отношения с отцом были испорчены, алтарный образ не написан. Художник обратился с письмом к герцогу Сфорца. Основой власти правителя Милана были успешные войны. Поэтому Леонардо предложил ему свои услуги прежде всего в качестве военного инженера, и только в конце письма он говорит о себе как о скульпторе и живописце, опасаясь, что слава художника, не закончившего многие работы, может ему повредить. В письме к Людовико Моро Леонардо сообщил, что знает способ делать легкие мосты и переносить их, сжигать и разрушать мосты противника, спускать воду из рвов во время осады, строить щиты, лестницы и другие приспособления для того, чтобы взбираться на стены. Он утверждал, что ему известны способы разрушить крепость без бомбард, если только цитадель не будет построена на скале. Леонардо писал, что знает, как можно легко перевозить бомбарды, бесшумно рыть тайные изогнутые ходы, даже если бы пришлось прокапывать их подо рвами или под рекой. Он обещал соорудить закрытые и совершенно неуязвимые колесницы, несущие артиллерию, за которыми сможет совершенно безопасно следовать пехота, сообщал, что в случае, если потребуется, сможет сделать бомбарды, мортиры и огнеметы. В случае, когда невозможно применить бомбарды, он обещал сконструировать катапульты, стрелометы и другие орудия, не похожие на существовавшие тогда, а также бесконечное множество разных приспособлений для нападения и защиты. И только в конце письма Леонардо говорит, что «в мирное время надеется выдержать сравнение с любым мастером в архитектуре, строительстве частных и общественных зданий и в проведении воды из одного места в другое, выполнит в скульптуре, в мраморе, бронзе или глине, как и в живописи, все, что возможно, не хуже всякого, кто пожелал бы померяться с ним в мастерстве». Завершая письмо, да Винчи пишет о том, что смог бы выполнить бронзового «Коня», подразумевая конную статую Франческо Сфорца. Леонардо упоминает о монументе как о деле, хорошо известном. Людовико давно хотел увековечить память своего отца. Вероятно, будучи в апреле 1478 года во Флоренции, Моро уже вел с Леонардо переговоры об этой статуе.
Людовико Моро остро нуждался в военных инженерах. Описанные Леонардо сооружения были столь интересны, и к тому же мастер утверждал, что выполнить их не составляет особых трудностей, что миланский герцог соблазнился его обещаниями и согласился принять его на службу. В 1482 г. Леонардо да Винчи принял решение покинуть Тоскану. Лоренцо Медичи, разочаровавшийся в художнике, который много обещает, но мало делает, согласился отпустить Леонардо, правда, отправил с представлением его не как художника или инженера, а как музыканта.
«Поклонение волхвов» не было закончено, картина осталась в стадии подмалевка: фон дан коричневым, а изображение фигур выполнено сине-серыми тонами. Леонардо оставил его, согласно договору, своим заказчикам.