1950-ben Chase kutatási asszisztensként kezdett dolgozni a Cold Spring Harbor laboratóriumban Alfred Hershey bakteriológus és genetikus laboratóriumában. 1952–ben Hershey-vel elvégezték a Hershey-Chase kísérletet, amely segített megerősíteni, hogy a genetikai információt DNS tartja és továbbítja, nem pedig fehérje. A kísérletben részt vevő radioizotóppal címke vagy fehérje vagy nukleinsav-a bacteriophage T2 (egy vírus, ami megfertőzi baktériumok) s látva, hogy melyik összetevő megadott E-coli fertőzés., Azt találták, hogy a nukleinsavak, de nem a fehérje átkerültek, segítve az örökletes információk összetételével kapcsolatos viták megoldását. Hershey 1969-ben Nobel-díjat nyert a fiziológiában vagy az orvostudományban a felfedezésért, de Chase nem volt benne.
Chase 1953-ban elhagyta a Cold Spring Harbor Laboratory-t, és Gus Doermann-nal dolgozott a Tennessee-i Oak Ridge National Laboratory-ban, majd később a Rochesteri Egyetemen. Az 1950-es években évente visszatért a Cold Spring Harborba, hogy részt vegyen a biológusok Fágcsoportjának ülésein., 1959-ben kezdte meg doktori tanulmányait a Dél-Kaliforniai Egyetemen Giuseppe Bertani laboratóriumában. Bertani Svédországba költözött, Chase 1964-ben fejezte be Margaret Lieb szakdolgozatát.
míg Kaliforniában Chase az 1950-es évek végén találkozott Richard Epstein tudóstársával és feleségül vette, majd nevét Martha C. Epsteinre változtatta. A házasság rövid volt, és nem sokkal később elváltak, gyermek nélkül. Az 1960-as években bekövetkezett személyes kudarcok sorozata véget vetett tudományos karrierjének., Visszaköltözött Ohióba, hogy családjával együtt éljen, és élete utolsó évtizedeit olyan demenciában szenvedte, amely megfosztotta a rövid távú emlékezetétől. 2003.augusztus 8-án, 75 éves korában halt meg tüdőgyulladásban.