Em 1951 casou com Carolyn Spellman, recebendo o mestrado (1954) e o doutoramento (1960) da Universidade de Princeton com uma tese sobre crateras produzidas por meteoritos. No ano seguinte passou a estudar astrogeologia em Flagstaff, Arizona, e esteve ligado às missões Lunar Ranger e ao treino dos astronautas norte-americanos. Tinha pretensões de se tornar o primeiro cientista a caminhar na Lua, mas foi detectado que sofria da doença de Addison e assim foi apontado cientista-chefe do Centro de Astrogeologia da USGS em 1965.
Retornou à Caltech em 1969 como professor de geologia e serviu três anos como diretor da Division of Geological and Planetary Sciences. Em 1985 aposentou-se como professor e passou a dividir o seu tempo entre Pasadena e Flagstaff. Em 1992 recebeu a mais importante honra científica atribuída pelo presidente dos Estados Unidos, a National Medal of Science. Aposentou-se da USGS em 1993 e assumiu um cargo no Observatório Lowell. Nesse mesmo ano, juntamente com a sua mulher Carolyn e o amigo David Levy, descobriu o cometa Shoemaker-Levy 9, que chocou com Júpiter em 1994.
Eugene Shoemaker morreu em consequência dum acidente automobilístico em Alice Springs, Austrália, em 1997. Os diretores da NASA, abalados com a perda, decidiram homenageá-lo duma forma original: deram ao cientista o privilégio de ser o primeiro e único ser humano cujos restos mortais foram deixados fora da Terra. Assim, em janeiro de 1998, as suas cinzas foram levadas na sonda espacial Lunar Prospecto e, após 19 meses, esta finalmente colidiu com a cratera Shoemaker (estudada e catalogada intensivamente por Eugene na sua juventude) próxima do Polo Sul da Lua, levando os restos mortais do cientista.