Sant'Ambrogio di Torino sorge su una collina morenica a 356 metri d'altitudine, dominato dalle vette del Monte Pirchiriano (936 m) e del Picco del Farò (909 m). Il territorio, con una superficie di soli 8,4 km² e una densità di 538 ab/km², è un punto di partenza per due sentieri escursionistici che conducono a belvedere e grotte naturali, come la Grotta. Dista 122 km dal mare e fa parte dell'area collinare del Piemonte, gravitando sul sistema locale del lavoro di Torino.
L'economia locale si basa su un reddito medio di 23.087 € e un prezzo immobiliare di 907 €/m², con una copertura FTTH dell'80%. La pressione fiscale è del 17,2%.
Con un'età media di 47,3 anni e un indice di vecchiaia di 225, la popolazione registra un saldo naturale negativo (-28). Il clima è caratterizzato da una temperatura media di 6,2 °C e precipitazioni annue di 1.906 mm. Il patrimonio culturale comprende 14 monumenti e un museo. Nelle vicinanze si trovano i siti UNESCO di Torino e Ivrea.