En 1966, se convirtió en profesora de biología en la Universidad de Boston y permaneció allí hasta 1988, cuando se convirtió en Profesora Distinguida de Biología y Geociencias en la Universidad de Masachusetts. Su artículo de 1967 “Sobre el origen de las células mitosas” fue rechazado inicialmente por quince revistas y suscitó una gran controversia antes de ser confirmado experimentalmente en 1978. 

Gran parte de sus investigaciones (y la oposición a ellas) se basaron en demostrar errores básicos en la teoría de la evolución de Darwin. Ella diría que “La selección natural elimina y quizás mantiene, pero no crea”. Margulis ofreció una hipótesis propia, la endosimbiosis, ahora una teoría ampliamente aceptada en la biología y un mecanismo clave de la evolución.

Margulis también fue coautora del primer artículo sobre la ahora famosa hipótesis de Gaia sobre las intrincadas interacciones entre los seres vivos y el planeta. Margulis trabajó incansablemente hasta los últimos días de su vida. Fue coautora de otro gran (y controvertido) artículo en 2009, a la edad de 71 años. Ha sido llamada una “científica rebelde” y ha ganado innumerables premios, incluyendo la Medalla Nacional de la Ciencia del Presidente Bill Clinton y el Premio al Servicio Público de la NASA en Astrobiología. 

También tiene 15 doctorados honoríficos y fue elegida para la Academia Nacional de Ciencias. En 2002, se clasificó entre las 50 mujeres más importantes en el ámbito de la ciencia.