Il fait ses débuts avec l'équipe d'Italie espoirs le lors d'un match amical joué contre le Danemark à Viareggio (match nul 2-2). Le 3 septembre, D'Ambrosio dispute sa première rencontre officielle contre la Bosnie-Herzégovine espoirs (comptant pour les qualifications pour l'EURO espoirs 2011. Il a joué en tout 3 matchs avec les espoirs italiens.