W 2000 Warlikowski zadebiutował jako reżyser operowy, przygotowując w Teatrze Wielkim w Warszawie prapremierę opery Roxanny Panufnik The Music Programm. W tym samym roku wyreżyserował Don Carlosa Giuseppe Verdiego, a w kolejnych latach m.in. Ignoranta i szaleńca Pawła Mykietyna (2001), Ubu Rexa Krzysztofa Pendereckiego (2003) i Wozzecka Albana Berga (2006), którego libretto oparte jest na dramacie Georga Büchnera. Jego ostatnimi realizacjami operowymi są Ifigenia w Taurydzie Glucka (2006) i Sprawa Makropulos Janáčka (2007) w Operze Paryskiej. W 2008 roku jako pierwszy polski reżyser powojenny zrealizował dzieło Wagnera na Zachodzie. W przygotowywanym Parsifalu spodziewano się niewygodnych nawiązań historycznych. Dzieło przyjęto z buczeniem, okrzykami i jednoczesnymi oklaskami. Skandal wywołały przerywające operę fragmenty filmu Roberto Rosselliniego „Niemcy w roku zero”, które odebrano jako zestawienie dzieła Wagnera z nazizmem. Inni krytycy jednak nazywają to przewrażliwieniem, doceniając pozostałe walory inscenizacji. W 2009 roku wyreżyserował w Operze Paryskiej Króla Rogera Karola Szymanowskiego.
Od 1999 jest związany z warszawskim Teatrem Rozmaitości (później: TR Warszawa).
W 2008 roku został dyrektorem artystycznym Nowego Teatru w Warszawie.