2010年12月21日,ヴァージン・レーシングは,ド・アンブロシオがチームでレースすることを確認した. チームでの最初の13レースで,d'Ambrosioは11レースを終え,彼の唯一の引退はマレーシアで彼の車の電子機器の問題とイタリアで起こった.
変速箱の故障が原因で 彼のベストフィニッシュはオーストラリアとカナダで2度14位だった. 彼のホームレースであるベルギーのグランプリで,彼はチームメイトのティモ・グロックを倒して17位に終わった.