en 1950, Chase comenzó a trabajar como asistente de investigación en Cold Spring Harbor Laboratory en el laboratorio del bacteriólogo y genetista Alfred Hershey. En 1952, ella y Hershey realizaron el experimento Hershey–Chase, que ayudó a confirmar que la información genética es retenida y transmitida por ADN, no por proteínas. El experimento involucró etiquetar radioactivamente la proteína o el ácido nucleico del bacteriófago T2 (un virus que infecta a las bacterias) y ver qué componente entró en E coli tras la infección., Encontraron que los ácidos nucleicos, pero no las proteínas, se transfirieron, ayudando a resolver la controversia sobre la composición de la información hereditaria. Hershey ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por el descubrimiento en 1969, pero Chase no fue incluido.Chase dejó Cold Spring Harbor Laboratory en 1953 y trabajó con Gus Doermann en el Oak Ridge National Laboratory en Tennessee, y más tarde en la Universidad de Rochester. A lo largo de la década de 1950, regresó anualmente a Cold Spring Harbor para participar en las reuniones del grupo de biólogos fagos., En 1959, comenzó sus estudios de doctorado en la Universidad Del Sur de California en el laboratorio de Giuseppe Bertani. Bertani se trasladó a Suecia y Chase terminó su tesis con Margaret Lieb en 1964.
mientras estaba en California, Chase conoció y se casó con su compañero científico Richard Epstein a finales de la década de 1950 y cambió su nombre a Martha C. Epstein. El matrimonio fue breve y se divorciaron poco después sin hijos. Una serie de reveses personales a través de la década de 1960 terminó su carrera en la ciencia., Regresó a Ohio para vivir con su familia y pasó las últimas décadas de su vida sufriendo de una forma de demencia que le robó la memoria a corto plazo. Murió de neumonía el 8 de agosto de 2003, a la edad de 75 años.