Decisivo, a questo punto della sua carriera, fu l'incontro con Salvador Luria, che aveva già avuto modo di conoscere, essendo stato anch'egli studente a Torino e interno dell'istituto di Levi. Luria si occupava a quel tempo dei virus che infettano i batteri (batteriofagi), e utilizzava come Dulbecco le radiazioni; data la comunanza di interessi, gli offrì la possibilità di lavorare nel suo laboratorio a Bloomington, nell'Indiana (USA), dove collaboravano già personalità di spicco della comunità scientifica.