Menos de dois anos depois já recebe as próprias encomendas. É dessa época a pintura O Casamento da Virgem (1504), sua primeira obra importante. Muda-se para Florença em 1504 e conhece Leonardo da Vinci. Nos três anos seguintes pinta uma série de Madonnas, com destaque para Madonna del Prato e Madonna del Granduca.
No outono de 1508 vai para Roma, contratado pelo papa Júlio II para a decoração de quatro salas do Vaticano. Conhece artistas como Bramante, Sodoma, Lotto e Michelangelo, que influenciam seu estilo. Sua pintura passa a apresentar maior interesse nas poses complexas e nas articulações dos músculos do corpo dos modelos.
Suas responsabilidades aumentam com a morte de Júlio II e a ascensão de Leão X. Em 1514 é nomeado arquiteto-chefe da Basílica de São Pedro. No ano seguinte passa a ser diretor de todas as escavações em busca de antiguidades em Roma. Morre aos 37 anos, em Roma.