I 2008 konkurrerte D'Ambrosio både i GP2-mesterskapet og det nye GP2 Asia-mesterskapet for DAMS-teamet, med Kamui Kobayashi som lagkamerat. Han kom på ellevteplass i førermesterskapet, med to andreplasser som beste plassering. Han fortsatte for samme team i GP2 Asia 2008–09, og selv om han ikke vant et eneste løp kom D'Ambrosio på andreplass sammenlagt bak teamkompisen Kobayashi. Han fortsatte hos DAMS også i GP2-sesongen 2009, og kom nå på niendeplass sammenlagt. Han ble værende i samme team også i GP2-sesongen 2010, som en del av DAMSs samarbeid med Renaults Formel 1-team. Han tok sin første seier i GP2-mesterskapet i Monaco, men i de neste to ble han satt ut til fordel for Romain Grosjean. Han tok sin første pole position i GP2 på hjemmebane på Spa, men måtte bryte hovedløpet mens han lå i ledelsen. Etter en pallplassering på Monza avsluttet han sesongen på tolvteplass i sammendraget.