夫冈·包立与尼尔斯·波耳，这两位对生物学感到兴趣的物理学家，使德尔布吕克也开始注意起生物学。他在1930年回到柏林，担任莉泽·迈特纳的助理。到了1937年，德尔布吕克前往美国，并进入了生物学领域，于加州理工学院研究果蝇的遗传学。同时也逐渐认识细菌与噬菌体（一类专门感染细菌的病毒）。1939年，他与埃利斯（E. L. Ellis）共同发表了一篇论文，标题为《噬菌体的生长》（"The Growth of Bacteriophage"），指出这类病毒的繁殖方式为「单一步骤」，而不是如一般细胞生物是以指数成长方