Nel 2010, dopo l'abbandono della Toyota, Glock ottiene un volante con la Virgin; l'inizio di stagione fu molto difficile: così come le altre vetture dei team esordienti, la Virgin accusava pesanti distacchi dalle altre squadre, e la vettura era spesso colpita da problemi di affidabilità. Dopo quattro ritiri consecutivi nelle prime quattro gare, nel Gran Premio di Spagna Glock giunse al traguardo per la prima volta nella stagione, chiudendo in diciottesima posizione; nel resto del campionato Glock contese ai due piloti della Lotus Racing il ruolo di miglior pilota dei team esordienti, riuscendo a prevalere diverse volte in qualifica. Nel Gran Premio di Singapore e in quello di Corea il pilota tedesco occupò per diversi giri posizioni di centro classifica, dovendo però ritirarsi in entrambe le occasioni; chiuse il campionato senza far segnare punti, con un quattordicesimo posto come miglior risultato in gara. Il pilota tedesco fu confermato dalla Virgin, nel frattempo rinominata Marussia Virgin Racing a seguito dell'acquisto della maggioranza delle azioni da parte della Marussia Motors, anche per il campionato 2011 a fianco dell'esordiente belga Jérôme d'Ambrosio; in questa stagione Timo si ritrova una vettura più competitiva e affidabile dopo l'accordo di collaborazione con la McLaren, ma non riesce né a spiccare nelle gare né a conquistare punti anche a causa della mancanza del Kers. In vista del Gran Premio di Germania 2011, venne ufficializzato il rinnovo contrattuale del pilota tedesco con la Virgin fino al 2014.