21. desember 2010 staðfesti Virgin Racing að d'Ambrosio myndi keppa fyrir liðið. Í fyrstu 13 keppnum sínum fyrir liðið, lauk d'Ambrosio 11 þeirra með einu hættum hans sem komu í Malasíu vegna vandamála með rafrænum í bílnum hans og í Ítalíu
vegna gírkassavandamála. Besta úrslit hans hafa verið tvö 14. sæti, í Ástralíu og Kanada. Í heimahlaupi sínu, Belgíska Grand Prix, endaði hann í 17. sæti og sigraði liðsfélaga sinn Timo Glock.