W sezonie 2011 Włoch podpisał kontrakt z malezyjską stajnią Team AirAsia. W azjatyckim serialu Valsecchi trzykrotnie dojechał do mety na punktowanym miejscu (po kontroli bolidu, został jednak zdyskwalifikowany ze sobotniego wyścigu na włoskiej Imoli). Za trzecią i czwartą pozycję na Yas Marinie, Davide uzyskał taką liczbę punktów, która zapewniła mu 7. miejsce w końcowej klasyfikacji. W głównym cyklu, po nieudanym starcie w Turcji, Valsecchi zaprezentował się z bardzo dobrej strony w trzech kolejnych eliminacjach, na torach w Hiszpanii i Monako. We wszystkich sześciu wyścigach dojechał w czołowej piątce, stając przy tym dwukrotnie na podium. W sobotniej rywalizacji w Monte Carlo, Davide po raz pierwszy w karierze zwyciężył w głównym wyścigu (po starcie z drugiego miejsca, wykręcił również najlepszy czas okrążenia). W pozostałej części sezonu postawa Włocha odbiegała jednak od oczekiwanej i ostatecznie sezon zakończył ponownie na 8. pozycji.