Für die Formel-1-Saison 2012 wurde D’Ambrosio durch Charles Pic ersetzt. Er wechselte zu Lotus und übernahm dort die Position des Test- und Ersatzfahrers. In dieser Funktion kam er beim Großen Preis von Italien zum Einsatz, da Stammpilot Romain Grosjean gesperrt war. Mit einem 13. Platz erzielte er seine bis dahin beste Platzierung in der Formel 1. 2013 blieb D’Ambrosio als Testfahrer bei Lotus.