Carrière
D’Ambrosio begon op zijn veertiende met karten. Zijn eerste titel won hij op zijn vijftiende, hij won de Monaco Kart Cup. Toen hij 17 was ging hij verder met karten, hij won de World Cup Formule A, hij troefde onder andere Renger van der Zande af. In 2003 racete hij in de Formel König en in de Belgische Formule Renault 1.6. Hij won het Belgische kampioenschap en in Duitsland werd hij vierde.
In 2004 ging hij racen in de Eurocup Formule Renault 2.0. In 2005 reed hij in de Italiaanse Formule Renault 2.0 en in de Eurocup. In Italië werd hij vierde in het kampioenschap. In 2006 racete hij in de Euro F3000, hij werd er met een Lola vijfde. D’Ambrosio racete in2007 in de International Formula Master, hij won dit kampioenschap. Hierna stapte hij over naar de GP2 bij het DAMS team. In de grote GP2-serie, die gereden wordt tijdens de Formule 1 GP weekends, had D’Ambrosio in het seizoen 2009 een sterke start. Als gevolg hiervan besliste de Belgisch-Franse hamburgerketen Quick zich te verbinden met dit groot Belgisch talent. Met DAMS werd D’Ambrosio vicekampioen in de GP2 Asian series 2008/09 net achter zijn ploeggenoot Kobayashi. Hij behaalde geen overwinningen, maar wist meerdere malen het podium te halen. In 2010 kwam het DAMS team uit als Junior Renault GP2 team, dit als gevolg van de relatie Gravity/GenII Capital met Renault F1. Zijn ploegmaat in 2010 was Ho-Pin Tung, een andere coureur van het managementbureau Gravity. D’Ambrosio boekte zijn eerste zege in GP2 tijdens de GP van Monaco en behaalde de poleposition tijdens de GP van België.
De Luxemburgse vennootschap Gravity treedt op als manager van D’Ambrosio. Bij Gravity werkt o.a. Pierre Van Vliet, voormalig F1-commentator op TF1 en uitgever van een F1-tijdschrift F1i. Gravity is een managementvennootschap eigendom van de groep rond Gerard Lopez die eveneens via een andere vennootschap GenII Capital eigenaar is van de renstal Renault F1. Gerard Lopez was via een managementvennootschap Mangrove één van de allereerste investeerders in Skype. In totaal zou Gravity tijdens de GP2 jaren 3 à 5 miljoen euro geïnvesteerd hebben in de carrière van D’Ambrosio. Renault F1 teammanager Eric Bouillier is naast zijn activiteit bij Renault F1 ook de managing director van Gravity en behartigt in die functie de belangen van D’Ambrosio.
In 2010 werd D’Ambrosio test- en reservecoureur bij het Formule 1 team van Renault en kreeg hij de gelegenheid om de laatste vier races van het Formule 1 seizoen 2010 te rijden voor het team van Virgin Racing als testrijder op vrijdag. Net na afloop van het F1-seizoen liet D’Ambrosio tijdens Formula One Young Driver Test op het Yas Marina Circuit sterke resultaten zien bij zowel Renault F1 als Virgin.
Op 21 december 2010 werd bekendgemaakt dat D’Ambrosio tweede rijder werd bij Virgin Racing in 2011 naast Timo Glock. Hij is daarmee de eerste Belgische Formule 1-rijder in 17 jaar.
Op 28 november 2011 werd bekend dat D’Ambrosio zijn zitje bij Marussia Virgin in 2012 kwijtraakt aan de Fransman Charles Pic. Later werd bekendgemaakt dat D’Ambrosio testrijder wordt bij Lotus en stand-in is voor Kimi Räikkönen en/of Romain Grosjean. Tijdens de Grand Prix van Italië van dat jaar krijgt hij zijn kans; hij valt in voor Grosjean die na het veroorzaken van een crash in de Grand Prix van België voor één race geschorst werd. Hij eindigde de race ondanks een KERS-probleem na de zesde ronde toch nog dertiende.
In het seizoen 2014-2015 neemt D’Ambrosio deel aan het elektrische kampioenschap Formule E. Hij rijdt hier voor Dragon Racing, met Mike Conway als teamgenoot.