21. detsembril 2010 kinnitas Virgin Racing, et d'Ambrosio võistleb meeskonna eest. Oma esimeses 13 võistlusel lõpetas d'Ambrosio 11 neist. Ainus aeg, mil ta loobus, oli Malaisias, kus tal oli auto elektroonikaga probleeme, ja Itaalias.
tänu käigukasti probleemidele. Tema parimad tulemused on olnud kaks 14. kohta Austraalias ja Kanadas. Oma kodulennul, Belgia Grand Prix'l, lõpetas ta 17. koha, võites oma meeskonnakaaslase Timo Glocki.