לאחר המלחמה חזרה ליונה מרשל לאוניברסיטת שיקגו, שם הפכה לחברה במכון פרמי לחקר גרעיני. בעבודתה עם כור המים הכבדים של שיקגו, היא מצאה דרך לפולריזציה ספינית של 100% של קרני נויטרונים, ונקבעה את מדד השבירה של נויטרונים עבור חומרים שונים. הילד השני שלה, ג'ון מרשל השלישי, נולד בשנת 1949. היא הפכה לסייע פרופסור בשנת 1953. לאחר מותו של פרמי בשנת 1954, מרשלים נפרדו. ג'ון מרשל חזר למעבדה בלוס אלאמוס, ואילו ליונה, עכשיו אימא חד הורית, הפכה לחברה במכון לחקר מתקדם בפרנסטון, ניו ג'רזי, בשנת 1957. בשנה שלאחר מכן היא הפכה לחברה במעבדה הלאומית ברוקהייבן, בתקופה שבה התמקדה המחקר בפיזיקה הפסיקה הפסיקה מהגרעין והחלקיקים אלקטרוניים. בשנת 1960 היא הצטרפה לאוניברסיטת שיקגו כפרופסור לפיזיקה של ספיזיקה נ
ג'ון מרשל השלישי