Luận văn về Thạch học liên quan đến đá thời tiền sử đã giúp ông có được học vị thạc sĩ một năm sau đó và mở đường cho ông đến với Cục Khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS), một tổ chức mà ông vẫn cộng tác trong suốt phần đời còn lại của mình. Công việc đầu tiên của ông ở USGS có liên quan đến việc tìm kiếm khoáng sản uranium ở Colorado và Utah.[1]

Trong khi làm nhiệm vụ này, ông tỏ ra thích thú với Mặt trăng, muốn du hành lên đó, tìm hiểu về tác động của thiên thạch và những vụ phun trào núi lửa trong việc hình thành các hố sâu trên bề mặt chị Hằng. Sau đó, ông bắt tay thực hiện công trình Tiến sĩ tại ĐH Princeton, dự định tiếp tục nghiên cứu về thạch học biến chất. Tuy nhiên quá trình này bị gián đoạn khi USGS một lần nữa điều ông đến thực địa, điều tra về núi lửa, những miệng phun bị xói mòn, nơi chất uranium thường hiện diện. Shoemaker nghiên cứu Mặt Trăng và mơ ước được khoác lên mình bộ đồ phi hành gia, dạo bước trên xứ sở xa xôi này. Tuy nhiên, ông không bao giờ có cơ hội thực hiện ước mơ đó. Bệnh Addison đã dập tắt hy vọng trở thành phi hành gia của ông.[2]

Shoemaker là nhà địa chất đam mê nghiên cứu hố va chạm. Ông góp phần khẳng định Barringer, hố trũng nổi tiếng sâu 173 m gần Flagstaff, bang Arizona, Mỹ, hình thành do thiên thạch đâm xuống. Ông cũng là người ủng hộ và đấu tranh cho giả thuyết về thiên thạch va chạm khiến khủng long tuyệt chủng 66 triệu năm trước. Nhờ việc lập bản đồ một số hố trũng trên Mặt Trăng, ông mang lại bước tiến lớn trong việc nghiên cứu địa chất của vệ tinh tự nhiên này.[2]

Năm 1961, Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) xây dựng Chương trình Nghiên cứu Địa chất vũ trụ và chọn Shoemaker, người được coi là cha đẻ của ngành địa chất vũ trụ, để dẫn dắt. Ông cũng tham gia các chuyến thực địa đến hố Barringer và một số địa điểm khác, đào tạo phi hành gia Apollo tương lai cách lấy mẫu đất đá.[2]

Với những cống hiến cho tri thức nhân loại, ông được tổng thống George H.W. Bush trao Huân chương Khoa học Quốc gia năm 1992.[2]

Nghiên cứu của ông góp phần vào việc phát hiện sao chổi Shoemaker-Levy 9, vật thể đâm vào sao Mộc năm 1994. Một trong những người phát hiện sao chổi này là Carolyn, đồng nghiệp và cũng là vợ Eugene.[2]