ב-21 בדצמבר 2010, Virgin Racing אישרה שד'אמברוזיו יתחרה עבור הקבוצה. ב-13 המירוצים הראשונים שלו עבור הקבוצה, ד'אמברוזיו סיים 11 מהם עם הפרישות היחידות שלו שבאו במלזיה בגלל בעיה עם האלקטרוניקה של המכונית שלו ובאיטליה
בגלל בעיות תיבת הילוכים. הסיום הטוב ביותר שלו היה שני מקומות 14 באוסטרליה ובקנדה. במירוץ המקומי שלו, הגראנד פרי של בלגיה, הוא סיים במקום ה-17, והביס את חברו לקבוצה טימו גלוק.