从理论物理进入生物学
德尔布吕克早年研究天文学和理论物理，曾与泡利、玻尔等科学家交流。他在柏林参与辐射与突变的跨学科研究，1937年赴加州理工学院，随后与埃默里·埃利斯合作研究噬菌体。
参考：[1]
定量研究病毒复制
他与卢里亚、赫尔希等把定量实验和遗传分析引入噬菌体研究，研究感染后的复制过程、突变和遗传重组。冷泉港的交流与课程帮助不同实验室共享菌株、技术和结果，逐渐形成噬菌体研究群体。
转向感觉生理
1950年代起，德尔布吕克逐渐转向感觉生理，采用接合菌属Phycomyces的孢子囊梗等材料研究刺激反应。他也参与建立科隆大学遗传学研究机构。1969年，他与卢里亚、赫尔希因病毒遗传研究共同获奖。