El 21 de desembre de 2010, Virgin Racing va confirmar que d'Ambrosio competiria per a l'equip. En les seves primeres 13 curses per a l'equip, d'Ambrosio va acabar 11 d'ells amb les seves úniques retirades a Malàisia a causa d'un problema amb l'electrònica del seu cotxe i a Itàlia
a causa de problemes de la caixa de canvis. Els seus millors acabats han estat dos 14o llocs, a Austràlia i Canadà. En la seva cursa de casa, el Gran Premi de Bèlgica, va acabar 17è, batent al seu company d'equip Timo Glock.