I 1867 dro Warren til Palestina med Palestine Exploration Fund. Han gjennomførte den første betydelige utgravningen av Jerusalem og startet dermed en ny tidsepoke i bibelsk arkeologi. Hans mest betydelige funn var en vannsjakt, nå kjent som Warren's Shaft og en rekke tunneler under Tempelberget. Han hjalp også til med å oppdage moabittstelen.