W obserwatorium poznała Bruce'a Heezena. Współpracowali przy wykorzystaniu danych fotograficznych do lokalizowania zestrzelonych w czasie II wojny światowej samolotów wojskowych. Ostatecznie Tharp pracowała wyłącznie dla Heezena, sporządzając mapy dna oceanicznego. Jednak ze względu na zimną wojnę rząd Stanów Zjednoczonych zabronił publikowania map dna morskiego w obawie, że radzieckie okręty podwodne mogą je wykorzystać.
Przez pierwsze 18 lat współpracy z Heezenem, kiedy ten zbierał dane batymetryczne na pokładzie badawczego statku Vema, Tharp sporządzała na ich bazie mapy. Kobiety były bowiem wykluczone z pracy na statkach. W 1968 Tharp dołączyła do wyprawy zbierającej dane na USNS Kane. Wykorzystywała dane zebrane przez Woods Hole Oceanographic Institution z badawczego statku Atlantis oraz dane sejsmograficzne z trzęsień ziemi na dnie oceanu. Jej praca z Heezenem była pierwszą systematyczną próbą zmapowania całego dna oceanicznego.
Już w połowie XIX wieku John Murray i Johan Hjort nakreślili przybliżony przebieg pasma gór podwodnych na Atlantyku. Marie Tharp odkryła także dolinę tektoniczną na Grzbiecie Śródatlantyckim, opierając się na nowych danych pomiarowych uzyskanych za pomocą echosondy. Po roku prób przekonała Bruce'a Heezena do swoich wniosków.