גאמבריני שיחק במספר קבוצות בסרייה א', ובמירב הקריירה שיחק בקבוצת פיורנטינה, במדיה ערך 224 הופעות רשמיות על פני שבע עונות. לגאמבריני שמונה הופעות במדי נבחרת איטליה, והוא נכלל בסגלה לטורניר יורו 2008.
קריירת משחק
גאמבריני החל את קריירת המשחק בקבוצת הנוער של בולוניה 1909 מעיר הולדתו. הוא עלה לשחק בקבוצה הבוגרת של המועדון בעונת 1999/2000 בסרייה א'. הוא רשם את הופעת הבכורה ב-9 בינואר2000, בהפסד החוץ של קבוצתו 3-1 ללאציו. לאחר עונת הבכורה שלו, נרכשה מחצית מכרטיס השחקן שלו על ידי יובנטוס, אך עסקת האחזקה המשותפת הסתיימה ביוני 2002, כשהכרטיס חזר לחזקתה המלאה של בולוניה.
בעונת 2002/2003 הושאל גאמבריני להלאס ורונה מהסרייה ב', ולאחר עונה אחת חזר לבולוניה. בסיום עונת 2004/2005, בה היה גאמבריני לראשונה לשחקן הרכב, ירדה בולוניה לליגת המשנה, וגאמבריני נמכר לפיורנטינה תמורת סכום של כ-3.2 מיליון אירו.
ב-4 במרץ2007, כשבע שנים מאז הופעת הבכורה שלו בסרייה א', כבש גאמבריני צמד בניצחונה של פיורנטינה 5-1 על טורינו, במה שהיו לשערי הליגה הראשונים בקריירה שלו לאחר 134 הופעות. גאמבריני תפס מקום של קבע בהרכב הקבוצה, ובסיום עונת 2007/2008 אף נבחר לשחקן העונה של הקבוצה. בפברואר 2010 נאלץ השחקן לעבור ניתוח בכתפו, שגרם לו להיעדר כשלושה חודשים מהמגרשים. לקראת עונת 2011/2012, החליף גאמבריני את ריקרדו מונטוליבו בתפקיד קפטן הקבוצה. בסיום אותה עונה סיים גאמבריני את דרכו בקבוצה, לאחר שבע עונות בהן רשם 224 הופעות רשמיות, מתוכן 194 בסרייה א'.
לקראת עונת 2012/2013 עבר גאמבריני, יחד עם חברו לקבוצה ואלון בהראמי, לקבוצת נאפולי. סכום ההעברה הכולל הוערך בכ-8.5 מיליון אירו. לאחר עונה אחת, בה רשם 25 הופעות ליגה וסיים עם קבוצתו במקום השני בליגה, עבר גאמבריני לעונת השאלה בגנואה. ב-24 ביולי2014, לקראת עונת 2014/2015, עבר גאמבריני לקייבו ורונה.
ב-3 ביולי2018 הודיע גאמבריני על פרישה ממשחק פעיל בגיל 36.
בתחילה לא זומן גאמבריני על ידי דונאדוני לסגל איטליה לקראת יורו 2008. ב-2 ביוני2008, באימון הראשון של הנבחרת באוסטריה לקראת הטורניר, נפצע קפטן הנבחרת, פאביו קנבארו, בתיקול עם ג'ורג'ו קייליני וקרע שני גידים בקרסול. כתוצאה מכך, זומן גאמבריני לסגל הנבחרת כמחליפו של קנבארו, על אף שצבר עד אז שתי הופעות בינלאומיות בלבד. על אף שאיטליה שיתפה ארבעה בלמים שונים במהלך הטורניר (מטראצי וברצאלי במשחק הפתיחה, ובמשחקים הבאים קייליני ופאנוצ'י), לא זכה גאמבריני לדקות משחק בטורניר. שנה אחר כך, נכלל בסגל של מרצ'לו ליפי לגביע הקונפדרציות 2009, אך שוב לא זכה לדקות משחק בטורניר.
לגאמבריני שמונה הופעות במדי איטליה, האחרונה שבהן ב-2011.
