V roce 1979 byl Marshall jmenován lékařem v Královské nemocnici v Perthu. Během stáže v interní medicíně v Royal Perth Hospital se v roce 1981 seznámil s Robinem Warrenem, patologem, který se zajímal o gastritidu. Společně studovali přítomnost spirálních bakterií v souvislosti s gastritidou. V roce 1982 provedli první kultivaci H. pylori a vypracovali hypotézu týkající se bakteriální příčiny peptického vředu a rakoviny žaludku. Tvrdí se, že teorie H. pylori byla zesměšněna zavedenými vědci a lékaři, kteří nevěřili, že by nějaká bakterie mohla žít v kyselém prostředí žaludku. Marshall se v roce 1998 nechal slyšet, že „všichni byli proti mně, ale já věděl, že mám pravdu“. Na druhou stranu se také tvrdilo, že lékařští vědci projevovali patřičnou míru vědecké skepse, dokud nebylo možné hypotézu H. pylori podpořit důkazy.
V roce 1982 získali Marshall a Warren finanční prostředky na roční výzkum. Prvních 30 ze 100 vzorků neprokázalo žádnou podporu jejich hypotézy. Zjistilo se však, že laboranti kultury po 2 dnech vyhazovali. Jednalo se o standardní postup u výtěrů z krku, kdy jiné organismy v ústech způsobily, že kultivace byly po 2 dnech nepoužitelné. Vzhledem k jiné práci v nemocnici neměli laboranti čas vyhodit 31. test hned druhý den, a tak zůstal od čtvrtka do pondělí. V tomto vzorku zjistili přítomnost H. pylori. Ukázalo se, že H. pylori roste pomaleji než 2 dny a také, že žaludeční kultury nejsou kontaminovány jinými organismy.
V roce 1983 předložili své dosavadní poznatky Australské gastroenterologické společnosti, ale recenzenti jejich práci odmítli a zařadili ji mezi dolních 10 % těch, které v roce 1983 obdrželi.
Po neúspěšných pokusech infikovat selata v roce 1984 Marshall po provedení základní endoskopie vypil vývar obsahující vykultivovaný H. pylori a očekával, že se u něj možná po letech objeví vřed. Byl překvapen, když se u něj o pouhé tři dny později objevila neurčitá nevolnost a zápach z úst (v důsledku achlorhydrie chyběla kyselina, která by bakterie v žaludku ničila, a jejich odpadní produkty se projevovaly jako zápach z úst), čehož si všimla pouze jeho matka. Ve dnech 5-8 se u něj objevilo achlorhydrické (bez kyselin) zvracení. Osmý den podstoupil opakovanou endoskopii, která prokázala rozsáhlý zánět (gastritidu) a biopsii, z níž byla provedena kultivace H. pylori, která ukázala, že kolonizoval žaludek. Čtrnáctý den po požití jídla byla provedena třetí endoskopie a Marshall začal užívat antibiotika. U Marshalla se nevyvinuly protilátky proti H. pylori, což naznačuje, že vrozená imunita může někdy eradikovat akutní infekci H. pylori. Marshallovo onemocnění a uzdravení na základě kultivace organismů odebraných pacientovi splňovalo Kochovy postuláty pro H. pylori a gastritidu, ale ne pro peptický vřed. Tento experiment byl publikován v roce 1985 v časopise Medical Journal of Australia a patří mezi nejcitovanější články z tohoto časopisu.
Po práci v nemocnici ve Fremantle se Marshall věnoval výzkumu v nemocnici Royal Perth Hospital (1985-1986) a na univerzitě ve Virginii v USA (1986-dosud), než se vrátil do Austrálie, přičemž zůstal na fakultě univerzity ve Virginii. V letech 1998-2003 působil jako Burnet Fellowship na University of Western Australia (UWA). Marshall pokračuje ve výzkumu souvisejícím s H. pylori a vede Laboratoř pro výzkum H. pylori na UWA.
V roce 2007 přijal Marshall místo na částečný úvazek na Pennsylvánské státní univerzitě.
V srpnu 2020 přijal Barry Marshall spolu se Simonem J. Thorpem místo ve vědeckém poradním sboru společnosti Brainchip INC, která vyrábí počítačové čipy.