Den 21. december 2010 bekræftede Virgin Racing, at d'Ambrosio ville køre for holdet i 2010. I sine første 13 løb for holdet, d'Ambrosio afsluttet 11 af dem med sine eneste pensionering kommer i Malaysia på grund af et problem med bilens elektronik og i Italien
på grund af gearkasseproblemer. Hans bedste placeringer har været to 14. pladser i Australien og Canada. I sit hjemmeløb, det belgiske Grand Prix, sluttede han 17. og slog sin holdkammerat Timo Glock.