Il castello dei Conti Guidi si trova al centro dell'antico borgo fortificato di Vinci. Dal 1953 ospita il Museo Leonardiano.
Le prime sale del Museo sono allestite nella Palazzina Uzielli dove sono ospitate le sezioni dedicate alle macchine da cantiere utilizzate per la costruzione della cupola del Duomo di Firenze ad opera di Filippo Brunelleschi; alla tecnologia della manifattura tessile, tanto apprezzata da Leonardo che realizzò macchine capaci di automatizzare e velocizzare il ciclo di produzione tessile; agli orologi meccanici.
Nel primo piano dell’edificio è allestita la sezione Leonardo e l’anatomia, dove sono esposte delle statue in ceroplastica realizzate dall’Accademia delle Belle Arti di Brera e ricostruite sulla base dei dettagliati disegni anatomici realizzati da Leonardo. Il percorso prosegue nell’adiacente Castello dei Conti Guidi, l'imponente edificio medievale noto nella tradizione come "castello della nave" per la forma allungata e la torre che ricordano un'imbarcazione a vela e che troneggia sull'abitato di Vinci dal XII secolo.
Al piano terra dell’edificio è allestita la sezione dedicata alle macchine da guerra progettate dal Leonardo durante il suo lungo soggiorno a Milano, alla corte di Ludovico il Moro. Nella sala adiacente è ospitata la sezione dedicata alle macchine volanti tra cui la maestosa Grande ala articolata e ai meccanismi e strumenti.
Al primo piano è allestita la sezione dell’acqua, elemento che fu spesso al centro degli studi di Leonardo, e alla realizzazione di opere di deviazione, rettificazione e regimazione dei corsi d'acqua.
Il percorso continua nella sala immersiva “Ebbe nome Lionardo” che racconta la vita del genio dalla sua nascita fino al suo trasferimento a Firenze e nell’adiacente sala dove è esposta una copia del celebre disegno di Paesaggio 8P, primo disegno datato di Leonardo e già identificato come raffigurazione della Valdinievole e di parte del Valdarno inferiore. La vicina sala del Podestà, ricca di pregiati stemmi che ricordano il passaggio dei Podestà che nei secoli hanno governato Vinci, ospita anche un bassorilievo raffigurante una Madonna con bambino di Giovanni della Robbia e attualmente ospita delle mostre temporanee, promosse dal Museo Leonardiano, come quella che si è tenuta nel 2019, Leonardo a Vinci.
Alle origini del Genio, realizzata in collaborazione con le Gallerie degli Uffizi in occasione del cinquecentenario dalla morte di Leonardo, e durante la quale è stato ospitato il disegno originale di Paesaggio 8P, datato 5 agosto 1473 e alcuni documenti della famiglia Da Vinci, tra cui la celebre annotazione del nonno Antonio in cui registra la nascita del nipote. Attualmente la sala ospita la mostra Leonardo. Anatomia dei disegni, un’esposizione multimediale per conoscere e approfondire, grazie all'applicazione ISLe (InSight Leonardo), 5 fra i più importanti disegni del genio vinciano.
Il percorso si conclude nella torre del Castello, nella quale è allestita la sala dei solidi geometrici, disegnati da Leonardo per illustrare il libro scritto dall’amico Luca Pacioli De divina proporzione. Dalla sommità della torre si accede alla terrazza panoramica del Castello (aperta da aprile a ottobre), raggiungibile attraverso 120 scalini e da cui si gode di un bellissimo panorama che spazia dalle colline del Montalbano, alle Alpi Apuane, ai Monti Pisani fino alla piana di Livorno.