21. joulukuuta 2010 Virgin Racing vahvisti, että d'Ambrosio kilpaisi joukkueessa. Ensimmäisistä 13 kilpailustaan d'Ambrosio pääsi 11 niistä, ja hänen ainoat vetäytymisensä tulivat Malesiassa auton elektroniikan ongelman vuoksi ja Italiassa.
vaihteiston ongelmien vuoksi. Hänen parhaat pisteensä ovat olleet kaksi 14. sijaa Australiassa ja Kanadassa. Kotimaassaan, Belgian Grand Prix -kilpailussa hän sijoittui 17. sijalle, voittaen tiimikaverinsa Timo Glockin.