Menjelang tahun 1948, Tharp menghabiskan empat tahun di Tulsa, mencari langkah kerjaya seterusnya. Beliau berpindah ke Bandar Raya New York dan pada awalnya mencari kerja di Muzium Sejarah Alam Amerika, tetapi selepas mendapat tahu bagaimana penyelidikan paleontologi memakan banyak masa, beliau seterusnya mencari jawatan di Universiti Columbia . [12] Setelah mencari, beliau akhirnya menemui kerja lukisan teknik dengan Maurice Ewing, pengasas Balai Cerap Geologi Lamont (kini Balai Cerap Bumi Lamont-Doherty ). Anehnya, apabila ditemu duga untuk pekerjaan itu, Tharp tidak sekalipun menyebut bahawa beliau mempunyai Ijazah Sarjana dalam bidang geologi. [13] Tharp merupakan salah seorang wanita pertama yang bekerja di Balai Cerap Geologi Lamont.

Semasa di sana, beliau bertemu Bruce Heezen, dan pada awalnya mereka bekerjasama menggunakan data fotografi untuk mencari pesawat tentera yang terhempas semasa Perang Dunia II. [14] Kemudiannya, beliau mula bekerja untuk Heezen secara eksklusif, dengan membuat kerja-kerja pemetaan dasar laut. [12] Tharp bekerja dan dinaikkan pangkat secara berterusan dari tahun 1952 hingga 1968, apabila jawatannya dipotong dan dipindahkan ke status pekerjaan yang dibiayai oleh geran kerana politik makmal yang melibatkan Heezen (beliau kekal dalam status pekerjaan yang dibiayai geran sehingga kematian Heezen pada tahun 1977). Semasa tempoh Perang Dingin, kerajaan Amerika Syarikat melarang peta dasar laut diterbitkan, kerana bimbang kapal selam Soviet boleh menggunakannya. [9]

Dalam tempoh 18 tahun pertama kerjasama mereka, Heezen mengumpul data batimetri di atas kapal penyelidikan Vema, manakala Tharp pula bertugas melukis peta hasil olahan data tersebut, memandangkan wanita dilarang bekerja di kapal pada masa itu. Beliau kemudiannya mendapat kebenaran untuk menyertai ekspedisi pengumpulan data pada 1968 di atas kapal USNS Kane . [15] Beliau menggunakan data yang dikumpul daripada tinjauan kapal penyelidikan Woods Hole Oceanographic Institution Atlantis, beserta data seismografi daripada gempa bumi bawah laut dalam penyelidikan beliau. Kerjanya dengan Heezen merupakan percubaan sistematik pertama untuk memetakan seluruh dasar lautan.

Seawal pertengahan abad ke-19, banjaran gunung dasar laut di Atlantik telah digariskan secara kasar oleh John Murray dan Johan Hjort . Marie Tharp juga menemui lembah rekahan pada perwakilan grafiknya yang lebih tepat mengenai Permatang Atlantik Tengah, yang berdasarkan data pengukuran baharu yang diperoleh dengan pembunyi gema . Dia mengambil masa setahun untuk meyakinkan Bruce Heezen tentang perkara ini. Kemudian, dia juga memetakan rabung tengah laut yang lain. [16] [17]