Cijelu znanstvenu karijeru provela je na Institutu Ruđer Bošković čiji je stipendist bila tijekom studija. U zvanje znanstveni asistent izabrana je 1975. godine, u zvanje znanstveni suradnik 1984. godine, u zvanje viši znanstveni suradnik 1990. godine, u zvanje znanstveni savjetnik 1993. godine. Reizabrana je u trajno zvanje znanstvenog savjetnika  1998. godine. Od 1993. do 2015. godine vodila je Laboratorij za genotoksične agense u Zavodu za molekularnu biologiju.

Glavni znanstveni interes dr. sc. M. Osmak tijekom njene dugogodišnje i plodne karijere bio je istraživanje staničnog odgovora na citotoksične, odnosno genotoksične agense, kao i istraživanje molekularnih mehanizama kojima stanice razvijaju otpornost na takve agense. Ostvarila je značajni doprinos u tri uža područja stanične biologije. Prvi dio je pionirski rad iz radiobiologije, u kojem je pokazala da stanice opetovano ozračene niskim dozama ionizirajućeg zračenja mogu promijeniti osjetljivost na mutagene i letalne učinke agenasa koji oštećuju DNA. Drugo područje koje je dr. sc. M. Osmak uvela u hrvatsku znanost i u njemu ostavila neizbrisiv trag je i najopsežniji dio njenog istraživanja. To je odgovor stanica na citotoksične/genotoksične agense, te istraživanje molekularnih mehanizama kojima stanice postaju na njih otporne.

Započela je istraživanja na staničnom modelu, a zatim ih postupno produbila na molekularnu razinu, te osnovala velik i uspješan laboratorij. Tijekom godina objavila je niz radova u kojima su otkriveni do tada nepoznati molekularni mehanizmi staničnog odgovora na citostatike, kao i otkriveni novi mehanizmi kojima stanice postaju na njih otporne. Konačno, treće područje u kojem je dr. sc. M. Osmak ostvarila poseban doprinos slijedi najnovije trendove ispitivanja novih spojeva kao potencijalnih protutumorskih lijekova. U suradnji s kemičarima iz Ljubljane istraživala je organometalne komplekse, posebno one sa rutenijem, za koje se smatra da bi zbog svojih pozitivnih kemijskih/biokemijskih svojstava mogli postati novi protutumorski lijekovi.

Objavila je 163 znanstvenih i stručnih radova, od  njih 117  u časopisima koji su uvršteni u bazu Current Contents, velik broj u vrhunskim znanstvenim časopisima. Autor je jednog međunarodno priznatog patenta. Njeni radovi citirani su prema WOS bazi preko 1700 citata, uz H-index 21.  Za svoj znanstveni rad nagrađena je Državnom nagradom za znanost 2003. godine.

Osim bogate znanstvene aktivnosti kroz vođenje 15 domaćih i međunarodnih znanstvenih projekata, dr. sc. M. Osmak sudjelovala je  u Sveučilišnoj nastavi, gdje je bila i  nositelj 5 kolegija na poslijediplomskim i doktorskim studijimana  na Prirodoslovno-matematičkom fakultetu, Medicinskom fakultetu i Farmaceutsko-biokemijskom fakultetu  Sveučilišta u Zagrebu, te na Sveučilišnom interdisciplinarnom doktorskom studiju „Molekularne bioznanosti“, kojeg organizira Sveučilište u Osijeku, Sveučilište u Dubrovniku i Institut Ruđer Bošković.  Pod njenim mentorstvom - vodila je 8 doktorata, 8 magisterija (3 kao komentor) i 13 diplomskih radova, odrasli su brojni  mladi znanstvenici, danas uspješni istraživači.

Održala je niz predavanja na međunarodnim i na domaćim znanstvenim skupovima i/ili institucijama. Recenzent je u brojnim uglednim znanstvenim međunarodnim i domaćim časopisima, te recenzent domaćih i međunarodnih znanstvenih projekata. Član je uredništva međunarodnog časopisa Radiology and Oncology.

Obnašala je istaknute funkcije u državnim znanstvenim tijelima kao što su Matično povjerenstvo za izbore u znanstvena zvanja iz područja biologije (2009 -) i  Povjerenstvo za državne nagrade iz prirodnih znanosti (2013-2015). Bila je predsjednica Hrvatskog društva za zaštitu od zračenja (1995-1997), te član Upravnog odbora Hrvatskog društva za istraživanje raka (2012- ) Posebno je zadužila Institut Ruđer Bošković obnašajući u dva mandata dužnost predsjednice Znanstvenog vijeća Instituta Ruđer Bošković (1995-1997, 2005-2007). Osim toga, bila član Upravnog vijeća Instituta Ruđer Bošković (2012-2016), te je tri puta obnašala dužnost predsjednice (1993-1995, 1997– 1999, 2001- 2003), i jednom zamjenice predsjednika Znanstvenog vijeća Odjela biologija (2012- 2015).

Osnivačica je (uz Institut Ruđer Bošković i Hrvatsko društvo za neuroznanost) Zaklade Branimir Jernej kojoj je cilj promicanje kvalitetnog i međunarodno priznatog znanstvenog istraživanja iz  područja biologije, biomedicine i neuroznanosti.

Za svoj doprinos znanosti, sudjelovanje u obrazovanju, te  razvoju i ugledu Instituta izabrana je u počasno zvanje zaslužne znanstvenice Instituta Ruđer Bošković 2018. godine.