Volvió al Milan en la temporada 1997-98, donde acabó en el décimo lugar en la Serie A y en la Copa Italia perdió la final contra la SS Lazio por un marcador global de 3-2.

En la Copa Intercontinental se enfrentó a Boca Juniors y perdió por penales, pero más adelante volvió a ganar la Liga de Campeones ante el club que años atrás le había vencido, el Liverpool, con un marcador de 2-1.

El Milan luego disputó el Mundial de Clubes (ex-Intercontinental), donde el rival otra vez fue Boca Juniors, al que en esta ocasión vencieron 4-2.

Tras el retiro de Paolo Maldini en 2009, Ambrosini pasó a ser el capitán del Milan.

Durante la temporada 2009-10 logró asentarse como titular en el once del director técnico rossonero Leonardo, se desempeñó mayormente como mediocampista defensivo.