El 6 de juliol de 2009, quan l'equip de Milà es va reunir per a l'entrenament de pre-temporada, Ambrosini va ser nomenat oficialment capità del club, heretant el braçall de Paolo Maldini. El 8 de setembre de 2009, va afegir un any més al seu contracte, prorrogant la seva estada amb l'equip almenys fins al 2011. Va guanyar el títol de la Serie A en la temporada 2010-11 amb tres partits a la mà, superant els rivals de la ciutat Internazionale. El 19 de maig de 2011, va signar un nou contracte d'un any. Després d'un decepcionant segon lloc a la temporada 2011-12
Amb la sortida de Filippo Inzaghi, Alessandro Nesta, Gennaro Gattuso, i Clarence Seedorf, Ambrosini va ser informat que estava considerant el seu futur amb el club, però Adriano Galliani va ser capaç de convèncer Massimo per signar un altre contracte d'un any i continuar sent el capità del Milan per a la temporada 2012-13. Després d'un començament molt dur amb diverses derrotes notables, el Milan va acabar la temporada en el tercer lloc darrere dels campions defensors Juventus i el subcampió Napoli, assegurant-se un lloc en el play-off de qualificació de la Lliga de Campions de la temporada següent.