En la Campaña de la Península de 1862, Warren comandó su regimiento en el sitio de Yorktown y también ayudó al ingeniero topográfico jefe del Ejército del Potomac, el general de brigada Andrew A. Humphreys, dirigiendo misiones de reconocimiento y dibujando mapas detallados de las rutas apropiadas para el ejército en su avance por la península de Virginia. Dirigió una pequeña brigada (3ª Brigada, 2ª División, V Cuerpo) durante las batallas de los Siete Días, compuesta por su propia 5ª de Nueva York junto con la 10ª de Nueva York. En Gaines Mill, resultó herido en la rodilla por un fragmento de proyectil, pero permaneció en el campo de batalla. Siguió liderando la brigada en la Segunda Batalla de Bull Run, sufriendo grandes bajas en una heroica resistencia contra un abrumador asalto enemigo, y en Antietam, donde el V Cuerpo estaba en reserva y no vio ningún combate.