Durante la Segunda Guerra Mundial, trabajó en Washington D. C. y Guam como consultor civil de la Armada de 1942 a 1945; estaba en el Instituto de Estudios Avanzados durante el año académico 1941-1942 cuando Oswald Veblen se le acercó para trabajar en guerra contra minas para la Armada.

Publicó dos artículos basados en esta tesis, que aparecieron en 1932 y 1933 en Transactions of the American Mathematical Society.

La Gran Depresión de 1929 se prolongó en los años treinta y Doob no podía encontrar un empleo.

BO Koopman, de la Universidad de Columbia, sugirió que el estadístico Harold Hotelling podría recibir una subvención que le permitiría a Doob trabajar con él.

Hotelling lo logró, y a partir de ese momento Doob trabajó en el ámbito que le haría mundialmente conocido: la probabilidad.

El Premio Joseph L. Doob de la Sociedad Estadounidense de Matemáticas, otorgado en 2005 y otorgado cada tres años por un libro matemático destacado, lleva su nombre en honor a Doob.