Hans berømte eksperiment med Delbrück i 1943, kjent som Luria-Delbrück eksperimentet, viste statistisk at arv i bakterier må følge de darwinistiske prinsippene og at muterte bakterier som forekommer tilfeldig fortsatt kan skjenke virusresistens uten at selve viruset er til stede. På 1940-tallet arbeidet han også ved Indiana University. I januar 1947 ble Luria akseptert som en fullverdig statsborger av USA.