866年，马什回到美国，成为耶鲁大学的嵴椎动物古生物学家。他的叔叔美国慈善家乔治·皮博迪出钱为他在耶鲁大学建立关于自然史的皮博迪自然史博物馆。1871年5月，马什发现了第一具美洲翼龙的化石。同时他也发现了早期马类的遗骸。马什描述了一些白垩纪有齿鸟类（例如鱼鸟与黄昏鸟）、飞行爬虫类，以及侏儸纪恐龙（例如剑龙、腕龙、异特龙与迷惑龙）与白垩纪恐龙（例如三角龙）。19世纪末，马什与当时的另一位古生物学家爱德华·德林克·科普（Edward Drinker Cope）展开了一场激烈的化石发现竞赛，又称为「化石战争」