Kart

D'Ambrosio memulakan kerjayanya dalam perlumbaan kart, antara tahun 1997 dan 2002. Beliau merupakan juara Belgium sebanyak 3 kali, dengan memenangi kelas Mini pada tahun 1996, Junior pada tahun 2000, dan Formula A pada tahun 2002. Beliau juga memenangi kejuaraan Junior Monaco Kart Cup pada tahun 2000, dan memenangi kejuaraan World Cup Formula A pada tahun 2002.

Euroseries 3000

Beliau menyertai kejuaraan Euroseries 3000, dan bersaing untuk Euronova Racing. Beliau mendapat tiga podium dan menamatkan musim di tempat kelima. Beliau juga mengambil dalam FIA GT Championship, dengan memandu sebuah Gillet Vertigo dalam kelas GT2.

Formula Master

Pada tahun 2007, d'Ambrosio mengambil bahagian dalam musim pertama siri International Formula Master dengan pasukan Cram Competition. Beliau memenangi lima perlumbaan, dan mendapat 100 mata, dan menjadi juara pertama kejuaraan tersebut.

Formula Satu

Pada bulan Januari 2010, d'Ambrosio telah diumumkan sebagai pemandu simpanan untuk Renault F1, selepas menyertai pasukan tersebut selepas dikaitkan dengan syarikat Gravity Sport Management.

Ia telah diumumkan pada 16 September bahawa d'Ambrosio akan menggantikan Lucas di Grassi untuk pasukan Virgin sebanyak empat kali dalam sesi latihan pada hari Jumaat: di Singapura, Jepun, Korea dan Grand Prix Brazil. Beliau menyampaikan berita ini kepada saluran TV Belgium, RTBF.[1] Pada sesi latihan bebas pertama pada hari Jumaat di Singapura, beliau mendapat tempat ke-21, di belakang rakan sepasukan, Timo Glock.

Virgin (2011)

Pada 21 Disember 2010, Virgin Racing mengesahkan bahawa d'Ambrosio akan berlumba untuk mereka bagi musim 2011.[2] Dalam 13 perlumbaan pertamanya untuk pasukan tersebut, d'Ambrosio menamatkan 11 perlumbaan dan bersara di Malaysia disebabkan oleh masalah elektronik, dan di Itali disebabkan masalah kotak gear. Keputusan terbaik beliau ialah di tempat ke-14, di Australia dan Kanada. Pada perlumbaan tanah airnya, di Grand Prix Belgium, beliau mendapat tempat ke-17, di hadapan rakan sepasukan, Timo Glock.

D'Ambrosio menamatkan musim di tangga ke-24 dalam Kejuaraan Pemandu, di hadapan Glock, namun digantikan oleh Charles Pic untuk musim 2012.[3]

Lotus (2012-)

Pada 24 Januari 2012, ia telah mengumumkan bahawa d'Ambrosio akan menjadi pemandu simpanan untuk Lotus F1 bagi musim 2012. Beliau juga menjadi pengulas Sky Sports F1 untuk sesi latihan F1, GP2 dan GP3. Beliau juga menjadi pengulas untuk saluran RTBF dalam bahasa Belgium-Perancis untuk perlumbaan F1.

D'Ambrosio membuat penampilan sulungnya untuk Lotus di Grand Prix Itali. Beliau mengantikan Romain Grosjean, yang digantung satu perlumbaan kerana menyebabkan kemalangan yang melibatkan beberapa buah kereta yang lain di Belgium.[4] Beliau bermula dari tempat ke-16, namun dinaikkan ke tempat ke-15, berikutan penalti kedudukan yang dikenakan untuk Pastor Maldonado.[5] Beliau menamatkan perlumbaan tersebut di tempat ke-16.[6]