W lipcu 1943 wzięła ślub z innym naukowcem z grupy Fermiego pracującym nad Chicago Pile-1, Johnem Marshallem. Wkrótce zaszła w ciążę, lecz pracowała nadal, ukrywając brzuch pod luźnymi ubraniami. Po urodzeniu syna (w 1944) po kilku dniach wróciła do pracy przy produkcji plutonu w Hanford. Dzieckiem zajmowała się jej matka (wspomagana czasami przez Johna Baudino, ochroniarza Fermiego).
Po wojnie Marshallowie osiedli w Chicago. Leona znalazła tam pracę w kierowanym przez Fermiego Institute for Nuclear Studies na University of Chicago. Po śmierci Fermiego w 1954 grupa prowadzona przez niego zaczęła się rozpadać. Mary Woods Marshall zajmowała coraz wyższe stanowiska w różnych instytutach (Brookhaven National Laboratory, New York University, University of Colorado, TRW Space Systems Group, Rand Corporation). W tym czasie jej zainteresowania objęły, oprócz cząstek elementarnych, także zagadnienia kosmologii.
W 1966 rozwiodła się z Marshallem i poślubiła Willarda Libby’ego, laureata Nagrody Nobla z 1960. Pod jego wpływem zainteresowała się zmianami i badaniami klimatu.