بعد الحرب، عادت ليونا مارشال إلى جامعة شيكاغو، حيث أصبحت زميلة في معهد فيرمي للدراسات النووية. وعملت مع مفاعل المياه الثقيلة في شيكاغو بيل 3، وجدت طريقة لتدوير قطبية شعاعي النيوترون بنسبة 100 في المائة، وتحديد مؤشر الانكسار للنيوترونات للمواد المختلفة. ولد طفلها الثاني، جون مارشال الثالث، في عام 1949. أصبحت أستاذة مساعدة في عام 1953. بعد وفاة فيرمي في عام 1954، انفصل مارشال. عاد جون مارشال إلى مختبر لوس ألاموس، في حين أن ليونا، التي أصبحت الآن أمًا واحدة فعليًا، أصبحت زميلة في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيوجيرسي في عام 1957. في العام التالي أصبحت زميلة في مختبر بروكهافن الوطني، في وقت كان فيه تركيز البحث في الفيزياء يتحول من الجزيئات النووية إلى الجزيئات الأساسية. في عام 1960، انضمت إلى جام
جون مارشال الثالث