Dempster, 1943'ten 1946'ya kadar, Chicago Üniversitesi Metalurji Laboratuvarı'nın veya Manhattan Projesi ile bütünsel olarak ilişkili olan ve atom bombalarının üretimi için gerekli malzemeleri incelemek üzere kurulan "Met Lab" ın baş fizikçisiydi.
1918'de Dempster, fizikçilerin bir numunedeki elementlerin kütlesine göre bileşikleri tanımlamasına ve bir numunedeki elementlerin izotopik kompozisyonunu belirlemesine olanak tanıyan bilimsel bir cihaz olan ilk modern kütle spektrometresini geliştirdi.[2] Dempster'ın kütle spektrometresi önceki versiyonlardan 100 kat daha doğruydu ve bugün hala kullanılan kütle spektrometrelerinin temel teorisini ve tasarımını oluşturdu. Dempster'ın kariyeri, kütle spektrometresi ve uygulamaları üzerine yoğunlaşarak 1935'te uranyum izotop 235 U'yu keşfetmesine yol açtı.[3][4] Bu izotopun hızla genişleyen bir fisyon nükleer zincir reaksiyonuna neden olma yeteneği, atom bombasının ve nükleer enerjinin gelişmesine izin verdi. Dempster ayrıca pozitif ışınlar konusunda bir otorite olarak biliniyordu.