1946年及1951年连续两次成功连任，是历史上唯一一位连任三届的加州州长。 在沃伦担任州长期间，加州的经济迅速发展，以加州大学为首的公立大学体系日趋完善，州内的种族隔离逐渐瓦解，而沃伦也参加了1945年的联合国国际组织会议、见证了《联合国宪章》在加州旧金山的签署。在1948年美国总统选举中，沃伦作为托马斯·杜威的竞选搭档、参选美国副总统，但杜威最终败给了民主党参选人哈里·杜鲁门；在1952年美国总统选举中，沃伦寻求共和党的提名参选，但共和党最终提名了德怀特·艾森豪威尔。 1953年，美国第34任当选总