Ambrosio begynte som modell da hun var 12 år gammel. Hennes første viktige modell jobb var til coveret av brasilianske magasinet . Hun har siden jobbet med merkevarer som Christian Dior, Giorgio Armani, Gucci, Calvin Klein og Ralph Lauren. Hun har gått for designere som Kenzo, Christian Dior, Ralph Lauren, Giorgio Armani og Vivienne Westwood. Hun har vært på over 50 internasjonale tidsskriftet dekker, blant annet , , , , og den eneste modellen som skal vises på forsiden av i USA i 2006.