Jérôme d'Ambrosio est le premier pilote belge à participer à la Formule 1 depuis... 17 ans, après Philippe Adams.

Il court d'abord en karting entre 1995 et 2002, et devient trois fois champion de Belgique. En 2003, il participe au championnat de Formule Renault de Belgique au sein de l'écurie de son compatriote Thierry Boutsen et devient champion. Il termine également quatrième du championnat Formula König. En 2004, il intègre le programme de développement de pilotes de Renault. Après plusieurs années passées dans des catégories inférieures et dans les diverses antichambres de la Formule 1, Jérôme atteint la consécration en remportant l'International Formula Master en 2007 avec Cram Competition, ce qui constitue son premier titre depuis quatre ans.

En 2008, il arrive en GP2 chez DAMS. Sans être flamboyant, il domine nettement son coéquipier Kamui Kobayashi. La saison 2010 est une petite déception pour lui, car il ne termine que douzième du championnat, malgré une première victoire. S'il a dominé Ho-Pin Tung, il n'a en revanche pas réussi à faire de même avec Romain Grosjean, arrivé en cours de saison chez DAMS. C'est pourtant en 2010 que Jérôme obtient ses premiers essais en F1 avec Virgin Racing. Déjà essayeur chez Renault, il accède enfin à la catégorie suprême... en tant que troisième pilote. Fin 2010, il est toutefois confirmé comme second pilote chez Virgin Racing, aux côtés de Timo Glock.

En F1 avec Virgin

Lors de sa première course, il ne parvient pas à faire mieux qu'une 22e place en qualifications et termine 14e et dernier classé de la course. Il est souvent devancé par Glock, mais n'est jamais vraiment dominé et termine souvent assez proche de lui. Cependant, sa meilleure performance en qualifications est une 20e place, et il ne peut faire mieux qu'une 14e place en course. Comme Di Grassi, Jérôme n'a pas assez convaincu et est remplacé par Charles Pic pour 2012.

Lotus

Il trouve néanmoins refuge chez Lotus F1 Team en tant que troisième pilote. Il est destiné à effectuer quelques séances d'essais libres en cours de saison, mais n'aura pas cette opportunité : la Lotus E20 est plus rapide que prévu et Éric Boullier souhaite favoriser ses titulaires, Romain Grosjean et Kimi Räikkönen. Cependant, le Français est suspendu pour une course à la suite du carambolage du départ à Spa-Francorchamps, et c'est le Belge qui est choisi pour le remplacer lors du Grand Prix d'Italie. Au cours de cette course, il part en quinzième position et termine treizième, dans le tour du vainqueur, après avoir rencontré des problèmes de KERS. Parallèlement, il commente également les courses de GP2 et de GP3 pour Sky Sports et les courses de F1 pour la télévision belge.

L'après F1

Il reste à son poste d'essayeur chez Lotus en 2013, en concurrence avec le champion GP2 en titre, Davide Valsecchi. Ni l'Italien ni le Belge ne sont toutefois choisis pour remplacer Kimi Räikkönen, forfait pour les deux dernières courses. En 2014, il est à nouveau remplacé par Charles Pic et se tourne vers les Blancpain Endurance Series avec Bentley, sans grand succès.

Le pilote belge devient ensuite l'un des pionniers du nouveau championnat de Formule E, dès son lancement à la fin de l'année 2014. Il signe avec l'écurie américaine Dragon Racing pour la saison inaugurale. Sa régularité porte ses fruits puisqu'il remporte l'ePrix de Berlin et termine quatrième du championnat. Il poursuit sa collaboration avec Dragon Racing pour les saisons suivantes, s'imposant notamment lors de l'ePrix de Mexico en 2016. En 2018, il rejoint l'écurie Mahindra Racing. Ce changement d'écurie lui permet de retrouver les sommets dès le début de la saison 2018-2019, avec une victoire lors de l'ePrix de Marrakech. Il dispute une dernière campagne avec l'écurie indienne en 2019-2020, année au cours de laquelle il met un terme à sa carrière de pilote professionnel pour se tourner vers des fonctions de direction.

Sa reconversion est immédiate. Fin 2020, il intègre l'encadrement de l'écurie Venturi Racing en Formule E, d'abord en tant que directeur adjoint, puis en tant que Team Principal en 2021. Sous sa direction, l'écurie monégasque réalise ses meilleures performances historiques, luttant pour les titres mondiaux des pilotes et des constructeurs.

Reconnu pour son expertise opérationnelle, il effectue son retour officiel dans le paddock de Formule 1 en 2023 en rejoignant Mercedes-AMG Petronas. Il y occupe le poste de directeur du développement des pilotes et seconde régulièrement Toto Wolff, directeur général, lors des Grands Prix. En 2024, il poursuit sa progression dans la hiérarchie mondiale en étant recruté par la Scuderia Ferrari. Il occupe désormais le poste de team principal adjoint au sein de l'écurie italienne, tout en étant responsable de la Ferrari Driver Academy, qui forme les futurs talents de la discipline.