Op 24 augustus 2012 werd bekendgemaakt dat Brambilla gedurende drie seizoenen zal uitkomen voor de Belgische formatie Etixx-Quick Step. Tijdens de zestiende etappe van de Ronde van Spanje 2014 werd hij na een handgemeen met Tinkoff-Saxorenner Ivan Rovny uit koers genomen. In 2016 won hij zowel in de Ronde van Italië als in de Ronde van Spanje een etappe.