W 1944 roku przerwał studia, by odbyć służbę wojskową w czasie trwającej II wojny światowej. Otrzymał przydział jako radiotelegrafista. W roku 1944 wznowił przerwane studia i w 1949 roku uzyskał stopień magistra biologii. Po ukończeniu podstawowych kursów Martin Rodbell pozostał na uczelni, biorąc dodatkowe kursy w dziedzinie chemii. W 1950 roku poślubił Barbarę Ledermann, niemiecką tancerkę i fotografika, przyjaciółkę Anne Frank, przybyłą do Stanów Zjednoczonych z Holandii, gdzie się ukrywała w czasie wojny. Jej rodzina zginęła w obozie w Oświęcimiu. Tego samego roku przeprowadził się do Seattle, gdzie kontynuował naukę w specjalnym programie, na Uniwersytecie Waszyngtońskim.
W 1954 roku obronił pracę doktorską, pod kierunkiem Donalda Hanahan, na temat metabolizmu lecytyny w wątrobie. Pod koniec roku przyjął posadę jako biochemik w laboratorium na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, gdzie pozostał przez dwa lata. Pracując jako młodszy instruktor w biochemii, odkrył swoje powołanie w pracach naukowych i w badaniach nad biochemią lecytyny w błonach komórki. Tam też pracował z Krisem Gunsalus, Luria i Spiegelmanem.