La 21an de decembro 2010, Virgin Racing konfirmis ke d'Ambrosio veturus por la teamo en 2010. En liaj unuaj 13 vetkuroj por la teamo, d'Ambrosio finis 11 el ili kun liaj solaj emeritiĝoj venantaj en Malajzio pro problemo kun la elektroniko de lia aŭto kaj en Italio
pro problemoj kun la rapidumujo. Liaj plej bonaj finaloj estis du 14-a lokoj, en Aŭstralio kaj Kanado. En sia hejma vetkuro, la Belga Grandpremio, li finis 17-a, venkante sian teamamikon Timo Glock.