Odkąd wstąpił do pracowni Leonarda stał się jego nieodłącznym towarzyszem. 24 września 1513 r. wyjechał z nim do Rzymu, a następnie do Francji. Giorgio Vasari podaje, że Melzi był wielce kochanym przez Leonarda. Nie jest jednak potwierdzone, czy Leonardo i Francesco utrzymywali relację o charakterze romantycznym bądź seksualnym. Zdaniem historyka sztuki Charlesa Nicholla Vasari w drugiej edycji Żywotów z 1568 r. dwuznacznie zasugerował, że Leonardo i Francesco byli w związku homoseksualnym. Melzi był tym, który powiadomił braci Leonarda o jego śmierci w liście z 1 czerwca 1519. Po śmierci Leonarda stał się jego spadkobiercą. Jako spuściznę po nim otrzymał jego pisma, rysunki i obrazy oraz trochę pieniędzy. Melzi był tym, który powiadomił rodzinę Leonarda o jego śmierci. Około 1530 roku Melzi wydał Codex Urbinus Latinus (też Codex Urbinas) – pierwszą wersję Traktatu o malarstwie Leonarda
Po śmierci Leonarda Melzi poślubił szlachciankę Angiolę Landriani, z którą spłodził ośmioro dzieci. Później sam stał się nauczycielem. Jego uczniem był m.in. Girolamo Figino.
thumb|150px|Portret Leonarda da Vinci, narysowany prawdopodobnie przez Melziego Najprawdopodobniej obraz Młodzieniec z papugą (znany również jako Portret młodzieńca z papugą) z lat 50.