Delbrück 1930-ban doktorált fizikából a Göttingeni Egyetemen. A bakteriofágok iránti érdeklődése abban az időben kezdődött, amikor tudományos munkatársként dolgozott a berlini Vilmos Császár Kémiai Kutatóintézetben (1932-37). A náci Németországból menekülve Delbrück 1937-ben kivándorolt az Egyesült Államokba, ahol a California Institute of Technologyn (műszaki egyetem) (1937-39; 1947-81), ill. a Vanderbilt Egyetemen (1940-47) vállalt munkát. 1945-ben megszerezte az amerikai állampolgárságot.

1939-ben Delbrück felfedezte a bakteriofágok tenyésztésének egylépéses eljárását, melynek során egyórás látens időszak után a bakteriofágok megsokszorozódnak, és több százezer utód keletkezik. Delbrück és Hershey egymástól függetlenül felfedezte (1946), hogy különböző vírusfajták genetikai anyaga egymással kombinálódva új vírusfajtát tud létrehozni. Korábban azt hitték, hogy ez a folyamat az élet magasabb rendű, ivarosan szaporodó formáira korlátozódik.