1 sierpnia 2011 Warren ustąpiła ze stanowiska specjalnego doradcy.
Senator 14 września 2011 Elizabeth Warren ogłosiła, że zamierza kandydować do Senatu Stanów Zjednoczonych ze stanu Massachusetts. Jej głównym przeciwnikiem był ówczesny senator Scott P. Brown z Partii Republikańskiej. 6 listopada 2012 wygrała wybory. Jej zaprzysiężenie na senatora I klasy miało miejsce 3 stycznia 2013.
Jako senator zyskała reputację jednej z najbardziej progresywnych kongresmenów. Należała do senackiej Komisji Bankowości, Komisji do spraw Mieszkaniowych i Urbanistyki, Komisji Zdrowia, Komisji Edukacji, Komisji Pracy i Wynagrodzeń, Specjalnej Komisji do spraw Starzenia się i Komisji Służb Zbrojnych.
22 kwietnia 2014 wydała swój pamiętnik A Fighting Chance. 13 listopada przywódca większości senackiej Harry Reid powołał ją do struktur przywódczych.
W związku z jej aktywnością, spekulowano możliwość jej kandydatury w wyborach prezydenckich w 2016.