1979 utsågs Marshall till registrator i medicin vid Royal Perth Hospital. Han träffade Robin Warren, en patolog som var intresserad av gastrit, under sin utbildning i internmedicin vid Royal Perth Hospital 1981. Tillsammans studerade paret förekomsten av spiralbakterier i samband med gastrit. År 1982 utförde de den första odlingen av H. pylori och utvecklade sin hypotes om den bakteriella orsaken till magsår och magcancer. Det har hävdats att H. pylori-teorin förlöjligades av etablerade forskare och läkare, som inte trodde att någon bakterie kunde leva i magsäckens sura miljö. Marshall citerades för att 1998 ha sagt att ”alla var emot mig, men jag visste att jag hade rätt”. Å andra sidan har det också hävdats att medicinska forskare visade en lämplig grad av vetenskaplig skepsis tills H. pylori-hypotesen kunde stödjas av bevis.
1982 fick Marshall och Warren finansiering för ett års forskning. De första 30 av 100 prover visade inget stöd för deras hypotes. Man upptäckte dock att laboratorieteknikerna hade kastat ut odlingarna efter två dagar. Detta var standardpraxis för svabbprover från halsen där andra organismer i munnen gjorde att odlingarna inte var användbara efter två dagar. På grund av annat arbete på sjukhuset hade laboratorieteknikerna inte tid att omedelbart slänga det 31:a provet på den andra dagen, och därför stannade det kvar från torsdag till måndag. I detta prov upptäckte de förekomsten av H. pylori. Det visade sig att H. pylori växer långsammare än 2 dagar, och även att magkulturerna inte är kontaminerade av andra organismer.
1983 lämnade de in sina resultat hittills till Gastroenterological Society of Australia, men granskarna avvisade deras uppsats och bedömde den som en av de 10 % sämsta av de uppsatser som de fick 1983.
Efter misslyckade försök att smitta smågrisar 1984 drack Marshall, efter att ha låtit göra en grundläggande endoskopi, en buljong som innehöll odlad H. pylori, i väntan på att utveckla, kanske flera år senare, ett magsår. Han blev överraskad när han bara tre dagar senare utvecklade vagt illamående och halitosis (på grund av achlorhydri fanns det ingen syra för att döda bakterier i magsäcken, och deras avfallsprodukter manifesterade sig som dålig andedräkt), vilket bara märktes av hans mamma. Dagarna 5-8 utvecklade han achlorhydria (ingen syra) kräkningar. På dag åtta fick han en ny endoskopi som visade massiv inflammation (gastrit) och en biopsi från vilken H. pylori odlades, vilket visade att den hade koloniserat magsäcken. Den fjortonde dagen efter intagningen gjordes en tredje endoskopi och Marshall började ta antibiotika. Marshall utvecklade inte antikroppar mot H. pylori, vilket tyder på att medfödd immunitet ibland kan utrota akut H. pylori-infektion. Marshalls sjukdom och tillfrisknande, baserat på en kultur av organismer som extraherats från en patient, uppfyllde Kochs postulat för H. pylori och gastrit, men inte för magsår. Detta experiment publicerades 1985 i Medical Journal of Australia och är bland de mest citerade artiklarna från tidskriften.
Efter sitt arbete vid Fremantle Hospital forskade Marshall vid Royal Perth Hospital (1985-86) och vid University of Virginia, USA (1986-nuvarande), innan han återvände till Australien samtidigt som han fortfarande var medlem av fakulteten vid University of Virginia. Han innehade ett Burnet-stipendium vid University of Western Australia (UWA) 1998-2003. Marshall fortsätter sin forskning om H. pylori och leder H. pylori Research Laboratory vid UWA.
År 2007 accepterade Marshall en deltidsanställning vid Pennsylvania State University.
I augusti 2020 accepterade Barry Marshall, tillsammans med Simon J. Thorpe, en plats i den vetenskapliga rådgivande nämnden för Brainchip INC, ett företag som tillverkar datachip.