Deixeble del seu pare Giovanni Cambiaso (Cambiaso, Gènova 1495-1577?) i format en un cert rafaelisme a través de Perin del Vaga. Treballà a Gènova, on decorà al fresc esglésies com la catedral de San Lorenzo (1559-62) i alguns palaus. El 1583 fou cridat per Felip II a El Escorial, on pintà les voltes del presbiteri i del cor. Fou famós al seu temps per l’extraordinària celeritat amb què pintava. Assajà, amb curiositat molt pròpia del manierisme, la quadratura o descomposició dels volums pictòrics en políedres (dibuixos a la Galleria degli Uffizi, de Florència), i jugant amb el contrast entre la llum i l’ombra esdevingué un dels precursors del tenebrisme (Adoració dels pastors, Pinacoteca di Brera, Milà). Les galeries genoveses del Palazzo Bianco i del Palazzo Rosso en conserven importants obres.