Kaudella 2010 d'Ambrosio jatkoi uraansa DAMS tiimissä. Hän otti GP2-uransa avausvoiton Monacon sprinttikilpailussa. Saksan kilpailussa hänet korvasi Romain Grosjean. d'Ambrosio saavutti kauden aikana 21 pistettä. Hän pääsi ajamaan kaudella 2010 Virginin toista autoa Singaporen, Japanin, Korean ja Brasilian F1-kisojen perjantain vapaissa harjoituksissa.