Delbrück bodde i USA hele andre verdenskrig. Han underviste i fysikk ved Vanderbilt universitet i Nashville samtidig som han dreiv på med genetikk. I 1942 fant han og Salvador Luria fra universitetet i Indiana ut at bakteriers motstand mot virusinfeksjoner skyldes tilfeldig mutasjon, ikke tilpasning. Denne forskinga, kjent som Luria-Delbrück-eksperimentet, var også oppsiktsvekkende for bruken av matematikk for å forutse så mange resultater som mulig fra de forskjellige modellene. For dette arbeidet mottok de Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1969. Prisen delte han med Alfred Hershey. Samme år mottok han sammen med Salvador Luria Louisa Gross Horwitz-prisen fra Columbia University.