Jerome D’Ambrosio édesanyjának köszönheti, hogy autóversenyző lett: a mama a tenerifei nyaraláson elvitte a nyolcéves kisfiút gokartozni, mellyel megváltoztatta az életét. A belgát ezt megelőzően csak a foci érdekelte, 1994-ben azonban már saját gokartot kért (és kapott) karácsonyra.

Sokáig a gokartbajnokságokban riogatta az ellenfeleket D’Ambrosio, első komolyabb sikerét 2003-ban aratta. Belga Forma-Renault-1600 bajnok lett, ezt követően a francia és olasz Forma-Renault-sorozatban vitézkedett. 2007-ben megnyerte a Forma-Master sorozatot, amelynek köszönhetően megnyílt előtte az út a GP2-be. Az ázsiai sorozatban második helyig vitte, csapattársa, Kobajasi Kamui mögött zárt. D’Ambrosio ekkor kötött szerződést a Renault többségi tulajdonosának, Gerard Lopeznek cégével, a Gravity Sport Managementnek hála a Renault F1-es autóját is kipróbálhatta különböző roadshow-s bevetések mellett. 2010 szeptemberében lett a Virgin tartalékosa, szponzori hátterének köszönhetően 2011-re versenyzőnek szerződtették.