2009ko uztailaren 6an, Milango taldea denboraldi-aurreko entrenamenduetarako elkartu zenean, Ambrosini klubeko kapitaina izendatu zuten ofizialki, Paolo Maldini-ren besoko bandaren ondorengo. 2009ko irailaren 8an, beste urte bat gehitu zion bere kontratuari, taldearekin egonaldiak 2011ra arte luzatuz. Serie A titulua irabazi zuen 2010-11 denboraldian, hiru partidu eskuan izanik, Internazionale hiriko arerioak gaindituz. 2011ko maiatzaren 19an, urtebeteko kontratu berria sinatu zuen. 2011-12 denboraldiko bigarren postu etsigarriaren ondoren
Alessandro Nesta, Gennaro Gattuso eta Clarence Seedorf taldekideen alde egitearekin batera, Ambrosinik bere etorkizuna klubean aztertzen ari zela jakin zen, baina Adriano Gallianik Massimo konbentzitu zuen beste urtebeteko kontratua sinatzeko eta 2012-13 denboraldian Milanen kapitaina izaten jarraitzeko. Hasiera oso gogorra izan eta hainbat porrot nabarmen izan ondoren, Milanek denboraldia hirugarren postuan amaitu zuen, Juventus txapeldunaren eta Napoli bigarrenaren atzean, eta hurrengo denboraldiko Txapeldunen Ligako kanporaketan parte hartzeko aukera lortu zuen.