Ambrosia Tønnesen var Norges første profesjonelle kvinnelige billedhugger og levde av sitt yrke gjennom et langt liv. Hun laget for det meste portretter i realistisk stil og fikk mange oppdrag.
Fra hun var 19 til hun var 25 år gammel var Tønnesen lærer i Bergen. Hun fulgte undervisningen i tegning og modellering ved Bergens tekniske Aftenskole og var en kort tid elev ved Karl Uchermanns malerskole. 1885 utstilte hun to malerier og en skulptur i Bergens Kunstforening. Med 400 kroner fra Schäffers legat og egne oppsparte midler reiste hun samme år til København, der hun malte med Bertha Wegmann og fikk veiledning av den norske billedhuggeren Stephan Sinding. Hun valgte å satse på skulpturen. En pikebyste kalt Våren var den første av flere noe sentimentale fremstillinger av unge piker. Enkelte av dem utførte hun i større format i Berlin, dit hun reiste høsten 1885. Som elev av billedhuggeren Albert Wolff ble hun påvirket av tysk senklassisistisk form.
En ung pike i halvfigur kalt Sneklokken (1887) ble antatt til Det kgl. Kunstakademis utstilling i Berlin og bestilt hugd i marmor av en norsk privatperson. Hun fikk også andre oppdrag, men etter to år i Berlin reiste hun til Paris og ble elev av billedhuggeren René de Saint-Marceaux. Han arbeidet i en realistisk stil og ble den lærer som influerte henne mest. Hun gikk også på Académie Colarossi under J. A. Injalbert og fikk friplass mot å undervise de andre elevene når læreren ikke var til stede. Det første året i Paris lærte hun å hugge i marmor og foretrakk senere å hugge skulpturene sine selv.
I Paris endret hun motiver og stil, noe et par realistiske hverdagsskildringer av barn fra 1888 er eksempler på. En dyster sagakvinne, Den onde Hjørdis, ble antatt på Salongen i Paris 1890 og vist i Norge på Høstutstillingen samme år. Kritikken var forbeholden. Stipendiene hun søkte, uteble, med unntak av en ny mindre tildeling av Schäffers legat. Hun mottok imidlertid mange portrettbestillinger gjennom sin lærer, likeså fra Norge og fra utlendinger i Paris, og er vel den eneste norske billedhugger ved siden av Stephan Sinding som har fått et bredt internasjonalt klientell. Hun ble boende i Paris til 1910, avbrutt av sommerferier i Norge, og utstilte i en årrekke på Salongen.
Etter å ha deltatt i en konkurranse om et Ole Bull-monument 1897, der ingen vinner ble utpekt, laget hun sin statue i full størrelse. Den ble innkjøpt privat og gitt til Den Nationale Scene i Bergen. Den slanke skikkelsen har en naturlig ledighet, og uttrykket er vennlig selvsikkert; figuren er naturalistisk, men med detaljene godt tilpasset helheten. 1900 fikk hun bestilling på en statue av maleren J. C. Dahl til nisjen over hovedinngangen på Den Permanente Utstillingsbygning i Bergen. Den sittende figuren i dobbelt naturlig størrelse, levendegjort ved en dreining til siden av hode og overkropp, ble avduket 1902. I konkurransen om et monument over Camilla Collett 1905 vant hun 3. premie. Utkastet med en sittende portrettfigur ble bestilt i marmor og senere gitt til Universitetsbiblioteket i Oslo.
Etter hjemkomsten til Norge fortsatte hun å lage portretter. Blant de mest kjente er Edvard Grieg, Christian Michelsen og Amalie Skram – den monumentale marmorbysten av henne er et hovedverk i Tønnesens produksjon. Så sent som 1945–46 laget hun etter fotografi en byste av Nordahl Grieg.
Ambrosia Tønnesen utviklet tidlig en saklig, realistisk stil som hun alltid senere holdt fast ved, og hun la større vekt på portrettlikhet enn på tolkning av personligheten. Men de beste verkene viser både følsomhet og sikker form.