Kereta api Ambarawa Ekspres saat meninggalkan Stasiun Babat (Atas) dan Ilustrasi Kereta api Ambarawa Ekspres rangkaian panjang saat meninggalkan Stasiun Surabaya Pasarturi (Bawah)
Kereta api Ambarawa Ekspres pertama kali beroperasi menggunakan bekas rangkaian kereta api Menoreh I—layanan kereta api yang dihentikan karena memiliki tingkat okupansi rendah. Untuk meningkatkan kualitas pelayanan, kereta api ini beroperasi menggunakan rangkaian kereta api kelas ekonomi plus keluaran tahun 2016 hingga sekarang.
Mulai 6 Juli 2017, kereta api ini mengalami perubahan jadwal sehingga rangkaian keretanya digunakan bersamaan dengan kereta api Blora Jaya.[2]
Per 1 April 2022, terdapat dua jenis rangkaian yang digunakan oleh KA Ambarawa Ekspres. Untuk KA Ambarawa Ekspres I relasi Semarang Poncol–Surabaya Pasarturi, menggunakan rangkaian yang terdiri dari kelas ekonomi new image milik depo kereta Semarang Poncol namun diberangkatkan pada jadwal pagi dan siang hari untuk relasi sebaliknya. Sementara, untuk relasi Semarang Poncol–Surabaya Pasarturi, KA Ambarawa Ekspres II menggunakan rangkaian kereta ekonomi premium stainless steel idle rangkaian KA Kertajaya yang tidak terpakai saat dinas pagi ini yang dulunya sempat dipakai untuk KA Maharani sebelum mengakhiri pelayanannya pada 30 September 2021 dan digantikan peranannya oleh KA Airlangga. Bedanya, tarif KA Ambarawa Ekspres 2 ini tidak disubsidi oleh pemerintah sedangkan tarif KA Maharani pada saat itu masih disubsidi oleh Kementerian Perhubungan RO.
Hanya berisi layanan kereta api yang dioperasikan oleh induk perusahaan. Untuk layanan yang dioperasikan oleh anak perusahaan, lihat Templat:KAI Commuter untuk layanan KAI Commuter, Templat:KAI Bandara untuk layanan KAI Bandara dan Templat:KCIC untuk layanan KCIC/Whoosh