Pada tanggal 6 Juli 2009, ketika tim Milan bersatu kembali untuk latihan pra-musim, Ambrosini secara resmi dinobatkan sebagai kapten klub, mewarisi gelang dari Paolo Maldini. Pada 8 September 2009, ia menambahkan satu tahun lagi ke kontraknya, memperpanjang masa tinggalnya dengan tim setidaknya sampai 2011. Dia memenangkan gelar Serie A pada musim 2010-11 dengan tiga pertandingan di tangan, mengungguli rival kota Internazionale. Pada 19 Mei 2011, ia menandatangani kontrak baru, satu tahun. Setelah menempati posisi kedua yang mengecewakan di musim 2011/12
dan keberangkatan rekan-rekan tim hebat Filippo Inzaghi, Alessandro Nesta, Gennaro Gattuso, dan Clarence Seedorf, Ambrosini dilaporkan mempertimbangkan masa depannya dengan klub, tetapi Adriano Galliani berhasil meyakinkan Massimo untuk menandatangani kontrak satu tahun lagi dan terus menjadi kapten untuk Milan untuk musim 2012-13. Setelah awal yang sangat buruk dengan beberapa kekalahan yang menonjol, Milan akhirnya menyelesaikan musim di posisi ketiga di belakang juara bertahan Juventus dan runner-up Napoli, mengamankan tempat di babak kualifikasi Liga Champions musim depan.