Nach der Aufnahme Kaliforniens als US-Bundesstaat wurde Gwin zum US-Senator gewählt. Seine Amtszeit dauerte vom 9. September 1850 bis zum 3. März 1855. Gwin setzte sich stark für die Expansion der Staaten am Pazifik ein und machte sich 1852 für eine Erkundung der Beringstraße stark. Als Folge des kalifornischen Goldrauschs von 1848 legte Gwin einen Gesetzentwurf vor, der am 3. März 1851 verabschiedet wurde. Dieser rief eine dreiköpfige Public Land Commission ins Leben, welche die Statthaftigkeit spanischer und mexikanischer Landschenkungen in Kalifornien bestimmen sollte. Von 1851 bis 1855 war er Vorsitzender des U.S. Senate Committee on Naval Affairs.