Дельбрюк начинал свою научную карьеру как физик, он, в частности, первым предсказал один из нелинейных эффектов квантовой электродинамики — дельбрюковское рассеяние.
Племянник известного агрохимика Макса Дельбрюка.
С 1932 года работал в Химическом институте кайзера Вильгельма в берлинском районе Далем, где вместе с Н.Тимофеевым-Ресовским изучал генетические мутации.
В 1937 году эмигрировал в США.