D'Ambrosio speelde in de jeugd bij Salernitana en ACF Fiorentina. In januari 2008 debuteerde hij voor Potenza in de Lega Pro Prima Divisione. In juli 2008 tekende hij voor Juve Stabia. In twee seizoenen speelde hij 48 wedstrijden voor Juve Stabia. Op 12 januari 2010 tekende hij voor Torino, toen actief in de Serie B. Vier dagen later debuteerde hij tegen US Grosseto. Sindsdien speelde hij meer dan 100 competitiewedstrijden voor de tweede club uit Turijn.
Hij werd op 30 januari 2014 voor een bedrag van 1,75 miljoen euro getransfereerd naar Internazionale. Hij tekende daar in eerste instantie tot 2018.