w 1950 roku Chase rozpoczęła pracę jako asystentka badawcza w Cold Spring Harbor Laboratory w laboratorium bakteriologa i genetyka Alfreda Hersheya. W 1952 wraz z Hersheyem przeprowadziła eksperyment Hershey-Chase, który pomógł potwierdzić, że informacja genetyczna jest przechowywana i przekazywana przez DNA, a nie przez białko. Eksperyment polegał na radioaktywnym oznakowaniu białka lub kwasu nukleinowego bakteriofaga T2 (wirusa, który infekuje bakterie) i sprawdzeniu, który składnik wszedł do E coli po zakażeniu., Okazało się, że kwasy nukleinowe, ale nie białka zostały przeniesione, co pomogło rozwiązać kontrowersje dotyczące składu informacji dziedzicznej. Hershey otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie w 1969 roku, ale Chase nie został uwzględniony.
Chase opuścił Cold Spring Harbor Laboratory w 1953 roku i pracował z Gusem Doermannem w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, a później na University of Rochester. W latach 50. co roku wracała do Cold Spring Harbor, aby wziąć udział w spotkaniach grupy biologów Fage., W 1959 rozpoczęła studia doktoranckie na University of Southern California w laboratorium Giuseppe Bertaniego. Bertani przeniosła się do Szwecji i Chase ukończyła pracę dyplomową u Margaret Lieb w 1964 roku.
podczas pobytu w Kalifornii, Chase poznała i poślubiła kolegę naukowca Richarda Epsteina pod koniec lat 50.i zmieniła nazwisko na Martha C. Epstein. Małżeństwo było krótkie i wkrótce potem rozwiedli się bez dzieci. Seria osobistych niepowodzeń w latach 60. zakończyła karierę naukową., Przeprowadziła się z powrotem do Ohio, aby zamieszkać z rodziną i spędziła ostatnie dekady życia cierpiąc na demencję, która pozbawiła ją pamięci krótkotrwałej. Zmarła na zapalenie płuc 8 sierpnia 2003 roku, w wieku 75 lat.