Für die Saison 2010 wurde di Grassi Teamkollege von Timo Glock beim debütierenden Formel-1-Team Virgin Racing. Nachdem er bei den ersten zwei Rennen mit technischen Defekten ausgeschieden war, erreichte er beim dritten Grand Prix in Malaysia als 14. zum ersten Mal das Ziel. Dieses Ergebnis blieb seine beste Platzierung in der Saison. Für Aufsehen sorgte ein Unfall im Rahmen des Großen Preises von Japan. Auf dem Weg in die Startaufstellung verlor er die Kontrolle über sein Fahrzeug. Er beschädigte sein Auto so stark, dass er nicht starten konnte. Er beendete die Saison auf dem 24. Platz der Fahrerwertung. Er blieb – wie Glock – ohne Punkte. Für die nächste Saison verlor er sein Cockpit an Jérôme D’Ambrosio.