I 1950 flyttet Hershey sammen med sin kone Jill til Cold Spring Harbor i New York der han sluttet seg til Carnegie Institution of Washington's Department of Genetics. Her møtte han Martha Chase, og i 1952 utførte de sammen det kjente Hershey-Chase-eksperimentet som var avgjørende for beviset av DNA som den genetiske koden i organismer. Før dette eksperimentet var det en kjent teori at det var proteinene som innehadde arvkoden, men dette viste Hershey og Chase at ikke var presist. Dette eksperimentet ga altså bevis for at DNA, ikke protein, var det genetiske materialet. I 1962 ble Hershey utnevnt til direktør ved institusjonen og ble i 1969 tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medisin for sitt arbeid med virus og deres genetiske struktur. Prisen delte han med Luria og Delbrück.