Bohr vzbudila záujem Delbrück je vo vzťahu medzi fyziky a biológie poukazovaním, že niektoré atribúty fyziky by mohlo byť zistené, že je rovnaká v biológii. Tým sa výrazne ovplyvňoval výhľad Delbrück je.
Delbrück sa vrátil do Berlína v roku 1932 a stal sa asistentom Lise Meitner. Rakúšan-rodený fyzik, ktorý hrá zásadnú úlohu v objavu jadrového štiepenia (rozštiepeniu jadra atómu). Meitner študoval neutrónovej ožiarenia uránu s Otto Hahn, nemecký chemik, ktorý objavil proces jadrového štiepenia v roku 1938. Vedci v Spojených štátoch čoskoro používal tento objav pri vývoji prvej atómovej bomby.
Delbrück pravidelne stretávala v Berlín so skupinou fyzikov a biológov, ktoré zdieľaných záujem o genetike. V vplyvnej 1935 papier, Delbrück a jeho partnermi z oblasti výskumu navrhol, že gény byť videný ako molekuly.
Delbrück emigroval do Spojených štátov v roku 1937, keď dostal druhú Rockefeller, ktorý použil na štúdium biológie a genetiky na California Institute of Technology (Caltech) v Pasadena. Tam, práca s geneticist Thomas Morgan, skúmal genetiku ovocné mušky (Drosophila melanogaster), organizmu, bežne používané v oblasti výskumu, pretože to má krátku životnosť, a mnoho generácií môžu byť študované bez čakania veľmi dlhá.
V Caltech, Delbrück začala pomáhať na fágov výskumu. On stal sa zaujímať o genetike bakteriofága, čo je typ vírusu, ktorý infikuje bakteriálnej bunky. Jej meno znamená "baktérie jedák." V priekopníckej práce v roku 1939, on pomohol vysvetliť, ako fágy množiť v jednotlivých bunkách. Táto práca začala novú éru vírusu výskumu. Potom, čo sa začala druhá svetová vojna (1939-1945), sa rozhodol zostať v Spojených štátoch. Späť v Nemecku, niekoľko členov Delbrück rodiny boli prenasledovaní pre ich odolnosť voči nacistickému režimu.
V roku 1940, Delbrück prijal pozíciu ako inštruktor fyziky na Vanderbilt University v Nashville. On pokračoval v jeho bakteriofágovou výskum na Vanderbilt na najbližších sedem rokov. Delbrück a Mary Adeline Bruce, ktorého on sa stretol u Caltech, sa vzal v roku 1941. Oni mali štyri deti. Delbrück stal občanom Spojených štátov v roku 1945.
Okolo roku 1940, Delbrück stre
