Calvin tham gia ban giảng huấn Đại học California tại Berkeley năm 1937 và được thăng chức giáo sư hóa học năm 1947. Cuối thập niên 1950 ông trở thành hội viên đầu tiên của Hội nghiên cứu các hệ thống tổng quát (Society for General Systems Research). Năm 1963 ông nhận thêm danh hiệu giáo sư Sinh học phân tử. Ông là người sáng lập và giám đốc "Phòng thí nghiệm Động lực Sinh hóa học" (Laboratory of Chemical Biodynamics) và đồng thời là phó giám đốc Phòng thí nghiệm bức xạ Berkeley, nơi ông thực hiện phần lớn công trình nghiên cứu cho tới khi nghỉ hưu năm 1980.

Dùng chất đồng vị carbon-14 để đánh dấu, Calvin và đội nghiên cứu của ông đã vạch ra con đường đầy đủ mà cacbon đi qua một cây trong quá trình quang hợp, bắt đầu từ sự hấp thu như điôxít cacbon khí quyển tới khi chuyển biến thành các carbohydrate và các hợp chất hữu cơ khác.[2][3] Khi làm việc này, đội nghiên cứu của Calvin đã chỉ ra là ánh sáng tác động trên diệp lục trong một cây để cung cấp chất đốt tạo thành các hợp chất hữu cơ, hơn là về điôxít cacbon như đã tin tưởng trước đây. Trong các năm nghiên cứu cuối cùng, ông đã nghiên cứu việc sử dụng các cây sản xuất dầu như các nguồn năng lượng có thể tái sinh. Ông cũng mất nhiều năm thử nghiệm sự tiến triển hóa học của đời sống và viết một sách về đề tài này, được xuất bản năm 1969.[4]