Di Grassi blev annonceret som en af to kørere i det helt nye Virgin Racing-team den 15. december 2009 og ville være partner med sin tidligere GP2-rival Timo Glock i en aftale, der blev forudsagt af BBC Radio Sheffield. En vigtig faktor i hans beslutning var chancen for at arbejde med John Booth, Virgin teamchef. Det blev rapporteret af "The Daily Telegraph", at di Grassi også havde givet Virgin 5 millioner pund i sponsorater. Alan Henry og Rob Bagchi skrev i "The Guardian's 2010 Formula One supplement", at Glock ville overgå di Grassi i løbet af sæsonen. Han trak sig tilbage fra de to første runder af sæsonen (Bahrain og Australien) på grund af hydrauliske problemer. Men hans held forbedrede sig i Sepang.
hvor han fik sin første (og bedste finish) i sæsonen med en 14. plads på trods af at han måtte køre den anden halvdel af løbet i brændstofbesparelsestilstand på grund af problemer med pick-up og brændstofkapacitet.