2010. december 21-én a Virgin Racing megerősítette, hogy d'Ambrosio versenyezni fog a csapatért. Az első 13 versenyen d'Ambrosio 11 versenyt végzett, és csak Malajziában, mert az autójának elektronikai berendezései meghibásodtak, és Olaszországban.
a sebességváltó problémái miatt. A legjobb befejezése két 14. hely volt Ausztráliában és Kanadában. Hazai versenyén, a Belga Nagydíjon 17. helyen végzett, legyőzve csapattársát, Timo Glockot.