Bohr vzbudila zanimanje Delbrück je v odnosu med fiziko in biologijo, ki kaže, da nekateri od atributov fizike se lahko ugotovi, da je enaka v biologiji. To močno vpliva Delbrück je obete.
Delbrück vrnil v Berlinu leta 1932 in postal asistent za Lise Meitner. avstrijsko-rojeni fizik, ki je igral ključno vlogo pri odkritju jedrske fisije (delitev jedra atoma). Meitner je študiral nevtronsko obsevanje urana z Otto Hahn, nemški kemik, ki je odkril proces jedrske fisije leta 1938. Znanstveniki v ZDA kmalu uporabljal to odkritje v razvoju prvo atomsko bombo.
Delbrück redno srečevali v Berlin s skupino fizikov in biologov, ki delijo interes v genetiki. V vplivnem 1935 papirju, Delbrück in njegovi raziskovalni partnerji predlagala, da se geni gledati kot molekul.
Delbrück emigriral v ZDA leta 1937, ko je prejel drugo Rockefeller Fellowship, ki jo je uporabljal za študij biologije in genetike na California Institute of Technology (Caltech) v Pasadeni. Tam delajo z genetik Thomas Hunt Morgan, je raziskati genetike sadja letenje (Drosophila melanogaster), organizem se pogosto uporablja v raziskavah, ker ima kratko življenjsko dobo, in mnoge generacije se lahko študiral, ne da bi čakali zelo dolgo.
Na Caltech, Delbrück začela pomagati na fagnega raziskave. On je začel zanimati v genetiki iz virusov, vrsta virusa, ki okuži bakterijske celice. Njegovo ime pomeni "bakterije jedec." V pionirskem prispevku leta 1939, je pomagal pojasniti, kako bakteriofagi množijo v posameznih celicah. To delo je začel novo obdobje raziskovanja virusa. Po drugi svetovni vojni (1939-1945) je začel, se je odločil, da ostane v Združenih državah Amerike. Nazaj v Nemčiji, je bilo več članov družine Delbrück je preganjan zaradi svojega odpora do nacističnega režima.
Leta 1940, Delbrück sprejel položaj kot inštruktor fizike na univerzi Vanderbilt v Nashvillu. Je nadaljeval svoje bakteriofaga raziskave na Vanderbilt za naslednjih sedem let. Delbrück in Mary Adeline Bruce, ki jo je spoznal na Caltech, poročena leta 1941. Imela sta štiri otroke. Delbrück postal državljan Združenih držav leta 1945.
Okoli 1940 Delbrück sestal Salvador Lur
