d'Ambrosio teki kaudelle 2011 kattavan sopimuksen Virgin-tallissa korvaten Lucas di Grassin. Hänen kautensa oli sen suhteen erikoinen, että hän pääsi kolmea kilpailua lukuun ottamatta jokaisessa kilpailussa maaliin asti. Hänen parhaaksi sijoitukseksi jäi avauskilpailun Australian GP:n ja Kanadan GP:n neljästoista sija. Hänet kuitenkin korvattiin kauden jälkeen ranskalaisella Charles Picillä.