Schließlich lernte sie über ihren Bruder Richard den jungen Astronomen Eugene Shoemaker kennen, der sich intensiv für Krater auf dem Mond und anderen Himmelskörpern interessierte.

1951 heirateten sie, und Carolyn zog es vor, sich um die wachsende Familie zu kümmern statt als Lehrerin zu arbeiten. So kam sie erst dreißig Jahre später zur Wissenschaft – als Assistentin ihres Mannes, der inzwischen am Palomar-Observatorium nach Kleinkörpern im Sonnensystem suchte.

Hier legte sie beim Beobachten Fähigkeiten an den Tag, die ihr rasch einen festen Platz im Team verschafften. Innerhalb von gut zwei Jahrzehnten entdeckte sie rund 800 Asteroiden und 32 Kometen.

Zu den berühmtesten Objekten ihrer Ausbeute zählte der Komet Shoemaker-Levy 9 aus dem Jahre 1993, der sich auf einer Umlaufbahn um den Planeten Jupiter befand und bei einem nahen Vorübergang offenbar auseinander gebrochen war.

Ein Jahr später stürzten die Trümmer in die Atmosphäre des Riesenplaneten und lösten dort spektakuläre Explosionen aus, deren Glut- und Aschewolken sogar mit kleineren Teleskopen über Wochen hinweg zu beobachten waren.

1997 kam Eugene bei einem Autounfall in Australien ums Leben, doch Carolyn Shoemaker wirkte noch etliche Jahre weiter als himmlische Beobachterin.