i 1950 begyndte Chase at arbejde som forskningsassistent ved Cold Spring Harbor Laboratory i laboratoriet hos bakteriolog og genetiker Alfred Hershey. I 1952 udførte hun og Hershey Hershey-Chase-eksperimentet, som hjalp med at bekræfte, at genetisk information holdes og overføres af DNA, ikke af protein. Forsøget involverede radioaktivt mærkning enten protein eller nukleinsyre af bakteriofagen T2 (en virus, der inficerer bakterier) og se, hvilken komponent indtastet E coli ved infektion., De fandt, at nukleinsyrer, men ikke protein, blev overført, hvilket hjalp med at løse kontroverser over sammensætningen af arvelig information. Hershey vandt Nobelprisen i fysiologi eller medicin til opdagelsen i 1969, men Chase var ikke inkluderet.
Chase venstre Cold Spring Harbor Laboratory i 1953 og har arbejdet med Gus Doermann ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, og senere på University of Rochester. Gennem 1950 ‘ erne vendte hun årligt tilbage til Cold Spring Harbor for at deltage i møder i faggruppen af biologer., I 1959 begyndte hun ph. d. – studier ved University of Southern California i laboratoriet i Giuseppe Bertani. Bertani flyttede til Sverige, og Chase afsluttede sin afhandling med Margaret Lieb i 1964.mens Chase var i Californien, mødte og giftede Chase medforsker Richard Epstein i slutningen af 1950 ‘ erne og ændrede sit navn til Martha C. Epstein. Ægteskabet var kort, og de skiltes kort efter uden børn. En række personlige tilbageslag gennem 1960 ‘ erne sluttede sin karriere inden for videnskab., Hun flyttede tilbage til Ohio for at bo sammen med familien og tilbragte de sidste årtier af sit liv med at lide af en form for demens, der frarøvede hende korttidshukommelse. Hun døde af lungebetændelse den 8. August 2003, i en alder af 75 år.