2011 debütierte D’Ambrosio für Virgin als Teamkollege von Timo Glock in der Formel 1. Sein erstes Rennen in Australien beendete er auf dem 14. Platz. Im weiteren Verlauf der Saison gelang es ihm, dieses Ergebnis ein weiteres Mal zu wiederholen. D’Ambrosio schloss die Saison auf dem 24. Platz der Weltmeisterschaft ab. Damit lag er eine Position vor Glock, der jedoch im Rennduell mit 10:9 vor ihm lag und die Duelle im Qualifying deutlich mit 15:4 gewann. Beide Fahrer blieben ohne Punkte.