Z inicjatywy Nielsa Bohra zwrócił się Delbrück ku interdyscyplinarnym badaniom w obszarze biologii. W 1935 opublikował wraz z genetykiem Nikołajem Timofiejewem-Riesowskim i Karlem Günterem Zimmerem pracę o mutacjach genowych, w której zaproponowali oni pojmowanie genów jako kompleksowych związków atomów. Była to pierwsza próba stworzenia modelu genu, na 18 lat przed odkryciem podwójnej helisy DNA przez Francisa Cricka i Jamesa Watsona.
W 1937 polityczny nacisk na badania stał się zbyt duży. Delbrück emigrował do Stanów Zjednoczonych Ameryki. Tutaj głównie w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym (Caltech) w Pasadenie prowadził w latach 1937–1939 i od 1947 badania nad bakteriofagami. W tym czasie współpracował ściśle z Salvadorem Edwardem Lurią, wspólnie z którym odkrył w 1942 zdolność bakteriofagów do samorzutnego tworzenia form mutacyjnych. W 1946 Delbrück wraz z Alfredem Day Hersheyem odkrył zjawisko rekombinacji u bakteriofagów. Badania tych trzech naukowców stworzyły podstawy współczesnej biologii molekularnej i genetyki i doprowadziły ich do uzyskania wspólnie w 1969 Nagrody Nobla.
Jako profesor biologii prowadził dalej badania w Caltechu (do 1977).