De to neste sesongene fikk Ambrosini mye spilletid for Rossoneri. For å få mer spilletid i Serie A ble han lånt ut til Vicenza, et opphold som var vellykket. Etter sesongen ble han hentet tilbake til Milan. I 2003 var han med å vinne UEFA Champions League, og to år senere var han med å tape for Liverpool i Istanbul. Men to år senere fikk AC Milan sin revansje i CL finalen 2007 mot nettopp Liverpool, som ble spilt i Athen. Stillingen ble til slutt 2-1 til Milan etter to scoringer av Filippo Inzaghi. Ambrosini var sterkt delaktig i seieren, og dannet en veldig solid midtbane sammen med Pirlo, Gattuso, Seedorf og Kaka.