Bradford, jagade en play-off plats, gick vidare när Wes Thomas konverterade Josh Cullens pass, men Kevin Keens sida planade genom Ambroses volley.
George Moncur, som blev utsvulten, slog till en upprätt, innan Ambrose tog Owen Garvans pass för att göra det 2-1.
Det var tillräckligt för att säkra en dubbel mot Bantams den här säsongen.
Vinsten var Colchesters första i League One sedan en 2-1 hem framgång mot Port Vale i oktober, och Keens första i tävlingen sedan hans December utnämning.
Phil Parkinsons sida föll två ställen till nionde efter nederlaget, deras första på fem.
Darren Ambroses dubbel hjälpte kämpa Colchester United komma bakifrån för att vinna 2-1 på Bradford City och avsluta en 19-spelet League One winless körning.