V roce 1950, Chase začal pracovat jako výzkumný asistent v Cold Spring Harbor Laboratory v laboratoři bakteriolog a genetik Alfred Hershey. V roce 1952 ona a Hershey provedli experiment Hershey-Chase, který pomohl potvrdit, že genetická informace je držena a přenášena DNA, nikoli proteinem. Experiment zahrnoval radioaktivní označování buď proteinu nebo nukleové kyseliny bakteriofágu T2 (virus, který infikuje bakterie) a zjištění, která složka vstoupila do E coli po infekci., Zjistili, že nukleových kyselin, ale ne protein byly převedeny, pomáhá vyřešit spor o složení dědičné informace. Hershey získal Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu za objev v roce 1969, ale Chase nebyl zahrnut.
Chase odešel Cold Spring Harbor Laboratory v roce 1953 a pracoval s Gusem Doermann v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee, a později na University of Rochester. V průběhu roku 1950 se každoročně vracela do přístavu Cold Spring Harbor, aby se zúčastnila setkání skupiny biologů Phage., V roce 1959 začala doktorské studium na University of Southern California v laboratoři Giuseppe Bertani. Bertani se přestěhovala do Švédska a Chase dokončila svou diplomovou práci s Margaret Liebovou v roce 1964.
zatímco v Kalifornii, Chase se setkal a oženil se s kolegou vědcem Richardem Epsteinem na konci 50. let a změnil její jméno na Marthu C. Epsteinovou. Manželství bylo krátké a krátce poté se rozvedli bez dětí. Série osobních neúspěchů v šedesátých letech ukončila svou kariéru ve vědě., Přestěhovala se zpět do Ohia žít s rodinou a strávil poslední desetiletí svého života trpí formou demence, která ji okradl o krátkodobé paměti. Zemřela na zápal plic 8. srpna 2003 ve věku 75 let.