Al regresar a los [[Estados Unidos]] trabajó como profesora en el colegio secundario de su ciudad hasta que se convirtió en asistente de Maria Mitchell en Vassar. En 1888, cuando Mitchell se jubiló, accedió a un cargo de profesora y a la dirección del [[observatorio]] hasta su retiro en 1915 por razones de salud.<ref name="Vassar Encyclopedia" />
Deurante su carrera se dedicó a enseñar e investigartemasinvestigar temas relacionados con estrellas dobles, estrellas variables, asteroides, cometas, y mediciones a partir de placas fotográficas.Bajo su dirección se publicaron 102 artículos científicos en el Observatorio de Vassar. En 1889 su madre y su hermana se enfermaron y Whitney las trasladó al Observatorio donde podía cuidarlas y continuar con su trabajo, a partir de entonces de tiempo parcial. Cuando fallecieron, dos años después, retomó su trabajo a dedicación completa.<ref name="Vassar Encyclopedia" /> Whitney fue miembro de la [[Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia]] y de la Sociedad Astronómica y Astrofísica.<ref name="Obituary">{{cita publicación|título=Mary W. Whitney|publicación=Annual Report of the Maria Mitchell Association|año=1921|volumen=19|páginas=10|url=http://adsabs.harvard.edu/full/1921MMAAR..19...10.|fechaacceso=4 de octubre de 2012|bibcode = 1921MMAAR..19...10. }}</ref>
