Jérôme d'Ambrosio est né le 27 décembre 1985 à Etterbeek en Belgique. Il est le premier pilote belge en F1 depuis... 17 ans et Philippe Adams.

Jérôme court d'abord en karting entre 1995 et 2002, finissant trois fois champion de Belgique. En 2003, il court en Formula Renault Belgique, le championnat national. Il finit champion dans l'écurie de son compatriote Thierry Boutsen. Il finit également quatrième de Formula König. En 2004, il intègre le Renault Driver Development Programme. Après plusieurs années passées dans des catégories inférieures et les diverses antichambres de la F1, Jérôme atteint la consécration lorsqu'il remporte l'International Formula Master en 2007, avec Cram Competition, ce qui est donc son premier titre depuis quatre ans.

En 2008, le Belge arrive en GP2 chez DAMS. Sans être flamboyant, Jérôme domine nettement son coéquipier Kamui Kobayashi, dont on connaît le futur, en 2008 et 2009. Il finit onzième puis neuvième. 2010 est une petite déception pour lui, car il ne finit que douzième du championnat malgré une première victoire ; et, s'il a dominé Ho-Pin Tung, cela n'a en revanche pas été le cas avec Romain Grosjean, arrivé en cours de saison chez DAMS. Pourtant, c'est bien en 2010 que Jérôme obtient ses premiers tests en F1 avec Virgin Racing. Déjà essayeur chez Renault, il accède enfin à la catégorie suprême... en tant que troisième pilote. Néanmoins, il réalise des chronos équivalents à ceux de Lucas di Grassi, qui avait fait ses preuves en GP2.

Fin 2010, d'Ambrosio est pressenti chez Virgin en remplacement d'un Lucas di Grassi décevant. C'est sans compter sur Giedo van der Garde, ex-essayeur Super Aguri et Spyker, qui postule avec un budget plus conséquent que celui du Belge. Néanmoins, le 21 décembre 2010, c'est bien Jérôme d'Ambrosio qui est confirmé second pilote chez Virgin Racing, aux côtés de Timo Glock. Dès sa première course, il ne peut faire mieux que vingt-deuxième en qualifications, et termine quatorzième et dernier classé de la course. Face à Glock, il est souvent devancé mais n'est jamais vraiment dominé, et termine souvent assez proche de lui. Mais comme di Grassi, d'Ambrosio n'a pas assez convaincu et est remplacé par Charles Pic pour 2012. Il trouve néanmoins refuge chez Lotus F1 Team en tant que troisième pilote.

Destiné à effectuer quelques séances d'essais libres en cours de saison, Jérôme 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 après le carambolage du départ à Spa-Francorchamps, et c'est le Belge qui est choisi pour le remplacer. Au cours de sa pige, il part en quinzième position, et terminera treizième, dans le tour du vainqueur, après avoir connu des problèmes de KERS. En parallèle, il commente également les courses de GP2 et de GP3 pour Sky Sports, et les courses de F1 pour la télévision belge.

Il reste à son poste d'essayeur chez Lotus en 2013, en concurrence avec le champion GP2 en titre Davide Valsecchi. Mais ni l'Italien ni le Belge ne sont choisis au moment de remplacer Kimi Räikkönen, forfait pour les deux dernières courses. En 2014, il est à nouveau remplacé par Charles Pic à son poste, et se dirige vers les Blancpain Endurance Series avec Bentley, sans grand succès. Il prend également part à la première saison de Formule E avec Dragon Racing. Très régulier, il termine la saison à la quatrième place, avec un succès glané à Berlin et deux autres podiums à Londres.