Nel 2008 il belga partecipa alla GP2 e alla GP2 Asia col team francese DAMS e ha come compagno di scuderia Kamui Kobayashi. Undicesimo nella stagione 2008, ottiene lo stesso risultato anche nella serie principale, cogliendo due secondi posti nelle gare sprint di Valencia e Spa-Francorchamps. Nella stagione 2008-2009, D'Ambrosio giunge secondo in classifica, proprio dietro al compagno di squadra Kobayashi; sempre con la DAMS affronta il campionato GP2, dove termina nono (miglior risultato il secondo posto nella sprint di Monaco). Partecipa anche alla stagione 2010, quale parte della collaborazione fra la DAMS e la Renault; il 16 maggio 2010 si aggiudica il suo primo gran premio nella classe GP2 sul Circuito di Monte Carlo davanti all'olandese van der Garde e al francese Bianchi diventando così il primo belga a vincere una gara in categoria.