Карьера Амбросио началась в 15 лет с победы в бразильском конкурсе Elite Model Look 1996 года. Это помогло ей получить работу в рекламной кампании одежды Guess (та же марка помогла карьере Анны Николь Смит и Летиции Каста). Несомненно, свою роль сыграла мода на бразильских моделей, начавшаяся после успеха Жизель Бундхен. Дальше завертелось — Алессандра снялась в рекламе Revlon, Giorgio Armani, и отметилась на показах таких марок, как Christian Lacroix, Byblos, Rolex, Oscar de la Renta, Calvin Klein, Ralph Lauren, Prada. Но больше всего Амбросио известна. Впервые появившись на показе этой марки в 2000 году, к 2004 году она первой была выбрана в качестве лица линии Pink.

В разное время красавица появлялась на обложках GQ, Vogue, Glamour. Также Алессандра успела сняться в кино, правда пока в эпизоде: в фильме «Казино Рояль» 2007 года в роли теннисистки. В 2004 году выпустила собственную коллекцию купальников под названием Alessandra Ambrosio by Sais.

За первый месяц продаж купальники, в количестве 10 тысяч штук, были раскуплены. А в 2008 Амбросио попала в список 100 самых желанных женщин по мнению журнала AskMen на второе место. Модель является послом общества лечения множественного склероза. Также она пробовала свои силы в качестве телеведущей. Совсем недавно Алессандра заключила  .