Pada 21 Disember 2010, Virgin Racing mengesahkan bahawa d'Ambrosio akan berlumba untuk mereka bagi musim 2011. Dalam 13 perlumbaan pertamanya untuk pasukan tersebut, d'Ambrosio menamatkan 11 perlumbaan dan bersara di Malaysia disebabkan oleh masalah elektronik, dan di Itali disebabkan masalah kotak gear. Keputusan terbaik beliau ialah di tempat ke-14, di Australia dan Kanada. Pada perlumbaan tanah airnya, di Grand Prix Belgium, beliau mendapat tempat ke-17, di hadapan rakan sepasukan, Timo Glock.