Po válce se Leona Marshallová vrátila na Chicagskou univerzitu, kde se stala spolupracovníkem na Fermiho institutu pro jaderné studie. V roce 1960 se připojila k Chicagskému reaktoru s těžkou vodou, kde našla způsob, jak 100% spín polarizovat neutronové paprsky, a určila index lomu neutronů pro různé materiály. Její druhé dítě, John Marshall III, se narodil v roce 1949. V roce 1953 se stala asistentkou profesora. Po smrti Fermiho v roce 1954 se Marshallové rozešli. John Marshall se vrátil do laboratoře Los Alamos, zatímco Leona, nyní prakticky svobodná matka, se stala spolupracovníkem na Institutu pro pokročilé studium v Princetonu v New Jersey v roce 1957. Následující rok se stala spolupracovníkem na Brookhavenské národní laboratoři, v době, kdy se výzkum v oblasti fyziky zaměřoval na jadernou jadernou jadernou částicí a na elementární částice. V roce 1960 se připojila k UCLA jako profesorka spin polarizace
John Marshall III.