Di Grassi julkistettiin 15. joulukuuta 2009 yhdeksi kahdesta Virgin Racing -joukkueen kuljettajasta, ja hänen kumppaninsa oli hänen entinen GP2-sarjan kilpailijansa Timo Glock. BBC Radio Sheffield ennusti sopimuksen. Tärkeä tekijä hänen päätöksessään oli mahdollisuus työskennellä John Boothin kanssa, Virginien tiimin johtaja. "The Daily Telegraph" kertoi, että di Grassi oli myös antanut Virginille 5 miljoonan punnan sponsorointia. Alan Henry ja Rob Bagchi ennustivat, että Glock ylittäisi di Grassin koko kauden. Hän vetäytyi kauden kahdesta ensimmäisestä kierroksesta (Bahrain ja Australia) hydraulisten ongelmien vuoksi. Hänen onnensa parani kuitenkin Sepangissa.
Hän saavutti kauden ensimmäisen (ja parhaan) maalipisteensä 14. sijoituksella, vaikka hänen oli ajettava kilpailun toinen puoli polttoaineen säästötilassa polttoaineen ja polttoaineen kapasiteetin ongelmien vuoksi.