Den 21. desember 2010 bekjentgjorde Virgin Racing at d'Ambrosio skulle kjøre for teamet i . På hans første 13 løp for teamet fullførte d'Ambrosio 11 av dem, og de eneste gangene han måtte bryte var i Malaysia på grunn av problemer med bilens elektronikk, og i Italy på grunn av girkasseproblemer. Hans beste resultater var to 14.-plasser, i Australia og Canada. På hjemmebane i Belgia kom han på 17.-plass, men slo teamkameraten Timo Glock.