Ambicionando el papado, procuró por todos los medios alcanzar este objetivo a la muerte de Alejandro VI. Luis XII le ofreció el prestigio de Francia y César Borgia intrigó en Roma con los cardenales españoles en interés suyo. En la votación quedó tercero con trece votos; Giuliano della Rovere recibió quince, y el cardenal Caraffa, catorce. Cuan César Borgia salió de Roma, D’Amboise sufrió a consecuencia de la reacción, contentándose con promover la elección de Pío III. A la muerte de Pío renovó sus esfuerzos y, al fracasar de nuevo, llegó incluso a alentar el cisma entre Francia y Julio II. Sin embargo, sus planes se frustraron con la derrota del ejército francés en Italia. Para apaciguar al Rey, Julio nombró a D’Amboise "legate a latere" para toda Francia, un honor sumamente excepcional.

El cardenal D’Amboise conservó su alto ministerio en Iglesia y Estado hasta su muerte, que tuvo lugar en el convento de los celestinos de Lyon el 25 de mayo de 1510. Tiene una espléndida tumba en la catedral de Ruan.