Şikago Üniversitesi'nde Lynn, daha sonra ünlü bir astronom ve yazar olacak olan fizikte lisansüstü bir öğrenci olan Carl Edward Sagan ile tanıştı. Margulis, 1957'de bir liberal sanat derecesiyle mezun oldu ve o ve Sagan, Haziran ayında evlendi. Wisconsin, Madison'da 1960'da Wisconsin Üniversitesi'nden zooloji ve genetik alanında yüksek lisansını kazandıkları Madison'a taşındılar.
O ve Sagan daha sonra Margilis'in 1965 yılında Berkeley'deki California Üniversitesi'nden doktora derecesi aldığı California'ya taşındı. O zamana kadar Sagan ile olan evliliği sona erdi ve iki oğluyla birlikte Massachusetts'e taşındı.
Margftlis, 1966'dan 1988'e kadar Boston Üniversitesi'nde 22 yıl öğretmenlik yaptı. İkinci evliliği, bir kristalograf olan Thomas N. Margulis'e, 1967'den 1980'e kadar devam etti. Çiftin bir oğlu ve bir kızı vardı. 1988'den itibaren Margulis, Amherst'deki Massachusetts Üniversitesi'nde botanik bölümü ile öğretmenlik yaptı.
Lisansüstü okulda Margulis, bir hücrenin çekirdeğinde bulunmayan genetik materyali içeren reprodüksiyona ilgi duymaya başlamıştı, fakat hücre zarındaki nükleus dışındaki tüm materyal olan sitoplazmasında. 1960'ların başında Margulis ve diğer araştırmacılar, bitki hücreleri içindeki kloroplastlarda, özel yapılardaki genlerin kanıtlarını sundular.
Margulis, türlerin en az birine yarar sağlayacak şekilde birbiriyle yakından yaşayan iki farklı canlı türü için bilimsel terim olan sembiyoz üzerine odaklanmıştı. Simbiyoz örnekleri, parazitleri daha büyük balıklardan veya bir kişinin derisinde yetişen bir mantardan temizleyen küçük balık türleridir. Margulis, ökaryotik hücrelerin (çekirdekli hücreler), daha önce bağımsız olarak yaşamış olan çekirdeksiz bir bakteri simbiyozundan evrimleştiğini teorileştirdi. Bu teoride, hem kloroplastlar hem de mitokondri adı verilen hücrelerde bulunan diğer yapılar, bir kez serbest yaşayan bakteri türlerinden evrildi. Bu seri endosimbiyotik teori veya SET, evrimin yeni bir görüntüsünü verdi ve çekirdeklerin hücrelerin kökeni açıklanmasına yardımcı oldu. Margulis'in fikri devrimciydi: İnsan vücudundaki tüm hücreler de dahil olmak üzere çekirdeği olan hücreler, 2 milyar yıldan daha uzun bir süre önce simbiyotik ilişkilerin oluşturduğu bakterilerden geldi.
1960'larda ve 1970'lerde Margulis şüphe uyandırdı ve hatta teorisini sürdürürken diğer bilim adamlarından alay etti. Eymaryotik Hücrelerin Kökeni (1970) kitabındaki simbiyotik teori üzerine çalışmalarını derlemeye devam etti. Bu çalışma üzerinde gözden geçirilmiş bir versiyon olan Symbiosis in Cell Evolution (1981) adlı çalışmasında ayrıntılandırdı. Margulis'in teorisi geniş çapta kabul görmüştür.
Biyolojinin bütünsel görünümü Margulis'in, dünyanın birleşik bir bütün olarak işlev gören canlı bir organizma olduğunu savunan Gaia hipotezini kucaklamasına neden oldu. İngiliz biyolog James Lovelock hipotezini 1968'de sundu. Teorisine göre, tüm canlılar yaşamın devam etmesi için gerekli olan koşulları yaratmak için etkileşime giriyorlar. Lovelock'un teorisi bilim adamları arasındaki tartışmayı gündeme getirdi ve Margulis Lovelock'un Gaia hipotezini geliştirmesine yardım ettiği zaman, daha fazla onaylamadı. Bununla birlikte, bazı bilim adamları Gaia kavramını araştırmanın karmaşık çevre sorunlarının daha iyi anlaşılmasına yol açabileceğine inanmaktadır.
Margulis dünyanın her yerinde görüşmeler yaptı ve çok sayıda dernek ve komitede görev aldı. NASA ile çalıştı ve birçok kitap, film senaryosu ve makale yazdı ya da yazdı. Oğlu Dorion Sagan, Seks Kökenleri: Üç Milyar Yıl Genetik Rekombinasyon (1986), Mikrokozmos Boyama Kitabı (1988), Gizem Dansı: İnsan Cinselliğinin Evrimi Üzerine (1991) ve Yaşam Nedir? (1995).
Margulis 1983'te Ulusal Bilimler Akademisi'ne seçildi ve Rus Doğa Bilimleri Akademisi'nin üç Amerikalı üyesinden biriydi. Ayrıca birçok üniversiteden fahri doktora aldı. Mart 2000'de, Başkan Bill Clinton ABD Ulusal Marul Madalyasını Margulis'e ve 11 diğer alıcıya sundu.