2010 m. gruodžio 21 d. "Virgin Racing" patvirtino, kad d'Ambrosio lenktynės komandos vardu. Per savo pirmąsias 13 lenktynių komandai, d'Ambrosio baigė 11 iš jų su savo vieninteliais išėjimais į pensiją Malaizijoje dėl problemų su jo automobilio elektronika ir Italijoje
dėl pavarų dėžės problemų. Jo geriausias rezultatas yra dvi 14-osios vietos Australijoje ir Kanadoje. Savo namų lenktynėse, Belgijos Grand Prix, jis baigė 17-uoju, nugalėdamas savo komandos draugą Timo Glocką.