Nach dem Diplom heiratete sie ihren Kollegen Donald Shane. Vier Jahre später, 1924, wurde sie promoviert.

Bei den Beobachtungen für ihre Doktorarbeit entdeckte sie, dass in den Gaswolken zwischen den Sternen Natrium vorkommt. Sie fand viele weitere Absorptionslinien in den Spektren von Himmelsobjekten – die lange rätselhaften "diffusen interstellaren Bänder", die unter anderem auf komplexe Kohlenwasserstoff-Moleküle zurückgehen.

Mary Lea Shane gab für die Erziehung ihrer beiden Kinder die astronomische Karriere auf. Als ihr Mann Direktor des Lick-Observatoriums wurde, war sie eine geschätzte Gastgeberin, die in der abgelegenen Astronomensiedlung auf dem Mount Hamilton südlich von San Francisco mit Wissenschaftlern aus aller Welt zusammenkam.

Als eine Historikerin nach Material für eine Biographie über einen Astronomen fragte, kam Mary Lea Shane die Idee, aus dem wüsten Sammelsurium von Briefen, Akten und Fotografien, das in der Sternwarte entstanden war, ein wissenschaftliches Archiv zu machen.

Im bestens zugänglichen Lick-Archiv befinden sich zahllose Dokumente zur Geschichte der Astronomie in den USA und Europa.

Mary Lea Shane, eine der großen Astronominnen des letzten Jahrhunderts, ist heute vor 34 Jahren gestorben – an ihrem 86. Geburtstag.