1950 begann Chase als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Cold Spring Harbor Laboratory im Labor des Bakteriologen und Genetikers Alfred Hershey zu arbeiten. 1952 führten sie und Hershey das Hershey–Chase-Experiment durch, das dazu beitrug zu bestätigen, dass genetische Informationen durch DNA und nicht durch Protein gespeichert und übertragen werden. Das Experiment umfasste die radioaktive Kennzeichnung von entweder Protein oder Nukleinsäure des Bakteriophagen T2 (einem Virus, das Bakterien infiziert) und das Sehen, welche Komponente bei der Infektion in E coli gelangt ist., Sie fanden heraus, dass Nukleinsäuren, aber kein Protein übertragen wurden, was dazu beitrug, Kontroversen über die Zusammensetzung der Erbinformation aufzulösen. Hershey gewann 1969 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung, aber Chase war nicht enthalten.
Chase verließ das Cold Spring Harbor Laboratory 1953 und arbeitete mit Gus Doermann am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und später an der University of Rochester. In den 1950er Jahren kehrte sie jährlich nach Cold Spring Harbor zurück, um an Treffen der Phage Group of Biologists teilzunehmen., 1959 begann sie ein Doktoratsstudium an der University of Southern California im Labor von Giuseppe Bertani. Bertani zog nach Schweden und schloss 1964 ihre Diplomarbeit bei Margaret Lieb ab.
Während ihres Aufenthalts in Kalifornien lernte Chase Ende der 1950er Jahre den Wissenschaftler Richard Epstein kennen und heiratete ihn. Die Ehe war kurz und sie ließen sich kurz danach ohne Kinder scheiden. Eine Reihe persönlicher Rückschläge in den 1960er Jahren beendeten ihre Karriere in der Wissenschaft., Sie zog zurück nach Ohio, um mit der Familie zu leben, und verbrachte die letzten Jahrzehnte ihres Lebens mit einer Form von Demenz, die sie des Kurzzeitgedächtnisses beraubte. August 2003 im Alter von 75 Jahren an einer Lungenentzündung.