Pada tanggal 21 Desember 2010, Virgin Racing mengkonfirmasi bahwa d'Ambrosio akan berlomba untuk tim tersebut. Dalam 13 balapan pertamanya untuk tim, d'Ambrosio menyelesaikan 11 dari mereka dengan hanya pensiunnya datang di Malaysia karena masalah dengan elektronik mobilnya dan di Italia
karena masalah gearbox. Hasil terbaiknya adalah dua tempat ke-14, di Australia dan Kanada. Di balapan kandangnya, Grand Prix Belgia, ia finis di urutan ke-17, mengalahkan rekan setimnya Timo Glock.