Początek sportowej kariery belgijskiego kierowcy przypada na połowę lat 90. ubiegłego wieku. Do roku 2002 Jérôme zdobył między innymi trzy tytuły mistrza Belgii oraz odniósł zwycięstwo w prestiżowym wyścigu Monako Kart Cup.

W 2003 roku przyszła pora na starty w belgijskiej Formule Renault 1.6 oraz Formule König, które zakończyły się odpowiednio mistrzostwem oraz czwartą pozycją na koniec sezonu. Rok później d'Ambrosio startował już w bardziej dojrzałych seriach - Europejskiej oraz Francuskiej Formule Renault 2.0, co dało odpowiednio czwartą oraz szesnastą lokatę w klasyfikacji kierowców. Po przesiadce do bolidu ekipy Euronova Racing, Belg kontynuował rywalizację w europejskim cyklu, jednak bez sukcesów. Lepiej wypadła rywalizacja w serii włoskiej, która przyniosła miejsce czwarte oraz trzecie w przypadku serii zimowej.

Początku roku 2006 Jérôme z pewnością nie zaliczy do udanych. Starty z ekipą Tech 1 Racing w World Series by Renault nie przyniosły punktów w siedmiu pierwszych wyścigach, co zaowocowało opuszczeniem zespołu. W połowie roku udało się jednak powrócić do Euronova Racing w Euroserii 3000 i zdobyć trzy podia w pięciu wyścigach.

Rok 2007 Belg spędził w serii International Formula Master z zespołem Cram Competition. Jérôme zdołał wygrać w pięciu z szesnastu rund, co dało mistrzowski tytuł i pozwoliło rozpocząć rywalizację w serii GP2.

Inauguracyjny sezon w barwach DAMS zaowocował 21 zdobytymi oczkami - Jérôme pokonał tym samym swojego partnera, Kamui Kobayashi. Podobnie było rok później - Belg po raz kolejny zdobył ponad dwukrotnie więcej punktów od japońskiego kierowcy. Odwrotnie było jednak w serii azjatyckiej. Lepsze czasy przyszły w sezonie 2009 - Jérôme zdobył wicemistrzostwo serii GP2 w Azji (ulegając tylko Kobayashiemu) oraz zajął dziewiątą lokatę wśród kierowców w głównej edycji.

Kolejnym krokiem była rola kierowcy rezerwowego w zespole Renault w Formule 1. We wrześniu 2010 roku ogłoszono również, że Jérôme podczas czterech piątkowych sesji treningowych zastąpi Lucasa di Grassi, podstawowego zawodnika zespołu Virgin Racing w roku 2010. W następnym sezonie Belg zastąpił Brazylijczyka na dobre, zaliczając debiut w barwach Marussia Virgin Racing.