Il 21 dicembre 2010, la Virgin Racing ha confermato che d'Ambrosio avrebbe corso per la squadra nel 2010. Nelle sue prime 13 gare per la squadra, d'Ambrosio ha concluso 11 di loro con i suoi unici ritiri in Malesia a causa di un problema con l'elettronica della sua auto e in Italia
a causa di problemi con il cambio. I suoi migliori risultati sono stati due 14esimi posti, in Australia e in Canada. Nella sua gara di casa, il Gran Premio del Belgio, finì 17°, battendo il suo compagno di squadra Timo Glock.