Di Grassi werd op 15 december 2009 aangekondigd als een van de twee coureurs van het gloednieuwe Virgin Racing-team en zou samenwerken met zijn voormalige GP2-serie-rival Timo Glock in een deal die werd voorspeld door BBC Radio Sheffield. Een belangrijke factor in zijn beslissing was de kans om te werken met John Booth, het Virgin team hoofd. Het werd gerapporteerd door "The Daily Telegraph" dat di Grassi ook Virgin had voorzien van 5 miljoen pond aan sponsoring. Alan Henry en Rob Bagchi voorspelden dat Glock het hele seizoen beter zou presteren dan di Grassi. Hij trok zich terug uit de eerste twee ronden van het seizoen (Bahrain en Australië) vanwege hydraulische problemen. Maar zijn fortuin verbeterde in Sepang.
waar hij zijn eerste (en beste finish) van het seizoen behaalde met een 14e plaats, ondanks het feit dat hij de tweede helft van de race in brandstofbesparingsmodus moest doen vanwege pick-up en brandstofcapaciteitsproblemen.