D'Ambrosio gikk til formelbil-racing i 2003, og vant det belgiske mesterskapet i Formel Renault (1,6 liter), hvor han kjørte for teamet til den tidligere Formel 1-føreren og landsmannen Thierry Boutsen. I 2003 kjørte d'Ambrosio også i det tyske Formel König-mesterskapet, hvor han kom på fjerdeplass i sammendraget. Han deltok også i en test for Renault F1s førerutviklingsprogram, som han vant, og dermed fikk en plass i programmet for 2004, men det ble bare med den ene sesongen. Han gikk videre til det franske mesterskapet i Formel Renault 2-liter for 2004, hvor han kom på fjerdeplass totalt som beste nykommer. Han deltok også i syv løp i Formel Renault 2,0 Eurocup. I 2005 byttet han over til det italienske Formel Renault-mesterskapet, kom på fjerdeplass, og deltok også i seks Eurocup-løp. I 2006 kjørte han på høyeste nivå i Formel Renault-hierarkiet, Formel Renault 3,5 liter, for Tech 1 Racing, men forlot serien etter fire runder uten å ha tatt noen poeng.