Bohr vzbudila zájem Delbrück je ve vztahu mezi fyziky a biologie vyvoláváním dojmu, že některé atributy fyziky by mohlo být zjištěno, že je stejná v biologii. Tím se výrazně ovlivňoval výhled Delbrück je.
Delbrück se vrátil do Berlína v roce 1932 a stal se asistentem Lise Meitner. Rakušan-rozený fyzik, který hraje zásadní roli v objevu jaderného štěpení (rozštěpení jádra atomu). Meitner studoval neutronové ozáření uranu s Otto Hahn, německý chemik, který objevil proces jaderného štěpení v roce 1938. Vědci ve Spojených státech brzy používal tento objev při vývoji první atomové bomby.
Delbrück pravidelně scházela v Berlín se skupinou fyziků a biologů, které sdílených zájem o genetice. V vlivné 1935 papír, Delbrück a jeho partnery z oblasti výzkumu navrhl, že geny být viděn jako molekuly.
Delbrück emigroval do Spojených států v roce 1937, když dostal druhou Rockefellerova Společenstvo, který použil ke studiu biologie a genetiky na California Institute of Technology (Caltech) v Pasadena. Tam, práce s geneticist Thomas Morgan, zkoumal genetiku ovocné mušky (Drosophila melanogaster), organismu, běžně používané v oblasti výzkumu, protože to má krátkou životnost, a mnoho generací mohou být studovány bez čekání velmi dlouhá.
V Caltech, Delbrück začala pomáhat na fágu výzkumu. On stal se zajímat o genetice bakteriofága, což je typ viru, který infikuje bakteriální buňky. Její jméno znamená "bakterie jedlík." V průkopnické práce v roce 1939, on pomohl vysvětlit, jak fágy množit v jednotlivých buňkách. Tato práce zahájila novou éru viru výzkumu. Poté, co začala druhá světová válka (1939-1945), se rozhodl zůstat ve Spojených státech. Zpět v Německu, několik členů Delbrück rodiny byli pronásledováni pro jejich odolnost vůči nacistickému režimu.
V roce 1940, Delbrück přijal pozici jako instruktor fyziky na Vanderbilt University v Nashvillu. On pokračoval v jeho bakteriofágovou výzkum na Vanderbilt na příštích sedm let. Delbrück a Mary Adeline Bruce, kterého on se setkal u Caltech, se vzal v roce 1941. Oni měli čtyři děti. Delbrück stal občanem Spojených států v roce 1945.
Kolem roku 1940, Delbrück setkal Salvador Luria na zasedání Americké asociace pro rozvoj vědy
