1950 började Chase arbeta som forskningsassistent vid Cold Spring Harbor Laboratory i laboratoriet för bakteriolog och genetiker Alfred Hershey. 1952 utförde hon och Hershey Hershey-Chase-experimentet, vilket bidrog till att bekräfta att genetisk information hålls och överförs av DNA, inte av protein. Experimentet involverade radioaktivt märkning av antingen protein eller nukleinsyra av bakteriofagen T2 (ett virus som infekterar bakterier) och se vilken komponent som kom in E coli vid infektion., De fann att nukleinsyror men inte protein överfördes, vilket hjälpte till att lösa kontroverser över sammansättningen av ärftlig information. Hershey vann Nobelpriset i fysiologi eller medicin för upptäckten 1969, men Chase ingick inte.Chase lämnade Cold Spring Harbor Laboratory 1953 och arbetade med Gus Doermann vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, och senare vid University of Rochester. Under 1950-talet återvände hon årligen till Cold Spring Harbor för att delta i möten med Faggruppen biologer., 1959 började hon doktorera vid University of Southern California i laboratoriet Giuseppe Bertani. Bertani flyttade till Sverige och Chase avslutade sin avhandling med Margaret Lieb 1964.
i Kalifornien träffade Chase och gifte sig med Richard Epstein i slutet av 1950-talet och bytte namn till Martha C. Epstein. Äktenskapet var kort och de skilde sig kort efter utan barn. En serie personliga bakslag genom 1960-talet slutade sin karriär inom vetenskap., Hon flyttade tillbaka till Ohio för att leva med familjen och tillbringade de senaste decennierna av sitt liv som lider av en form av demens som rånade henne av korttidsminnet. Hon dog av lunginflammation den 8 augusti 2003, vid 75 års ålder.