I 1979 blev Barry Marshall udnævnt til lægekonsulent på Royal Perth Hospital. Han mødte Robin Warren, en patolog, der var interesseret i gastritis, under uddannelsen i intern medicin på Royal Perth Hospital i 1981. Sammen undersøgte parret tilstedeværelsen af spiralbakterier i forbindelse med gastritis. I 1982 foretog de den første dyrkning af H. pylori og udviklede deres hypotese i forbindelse med den bakterielle årsag til mavesår og mavekræft. Det er blevet hævdet, at H. pylori-teorien blev latterliggjort af etablerede videnskabsmænd og læger, som ikke troede på, at nogen bakterier kunne leve i mavens sure miljø. Marshall blev citeret for at have sagt i 1998, at “alle var imod mig, men jeg vidste, at jeg havde ret”. På den anden side er det også blevet hævdet, at medicinske forskere udviste en passende grad af videnskabelig skepsis, indtil H. pylori-hypotesen kunne understøttes af beviser.
I 1982 opnåede Marshall og Warren finansiering til et års forskning. De første 30 ud af 100 prøver viste ingen støtte for deres hypotese. Det blev imidlertid opdaget, at laboratorieteknikerne havde smidt kulturerne ud efter 2 dage. Dette var standardpraksis for svaberprøver fra halsen, hvor andre organismer i munden gjorde, at kulturerne ikke var brugbare efter 2 dage. På grund af andet arbejde på hospitalet havde laboratorieteknikerne ikke tid til straks at smide den 31. prøve ud på den anden dag, og derfor blev den liggende fra torsdag til mandag. I denne prøve opdagede de tilstedeværelsen af H. pylori. Det viser sig, at H. pylori vokser langsommere end 2 dage, og også at mavekulturerne ikke er forurenet af andre organismer.
I 1983 indsendte de deres hidtidige resultater til Gastroenterological Society of Australia, men bedømmerne afviste deres artikel, idet de vurderede den til de nederste 10% af dem, de modtog i 1983.
Efter mislykkede forsøg på at inficere smågrise i 1984 drak Marshall, efter at have fået foretaget en baseline endoskopi, en bouillon indeholdende dyrket H. pylori, idet han forventede at udvikle, måske år senere, et mavesår. Han blev overrasket, da han kun tre dage senere udviklede vag kvalme og halitosis (på grund af achlorhydri var der ingen syre til at dræbe bakterier i maven, og deres affaldsprodukter manifesterede sig som dårlig ånde), hvilket kun hans mor bemærkede. På dag 5-8 udviklede han achlorhydritisk (ingen syre) opkastning. På dag otte fik han en ny endoskopi, som viste massiv betændelse (gastritis) og en biopsi, hvorfra H. pylori blev dyrket, og som viste, at den havde koloniseret hans mave. På den fjortende dag efter indtagelsen blev der foretaget en tredje endoskopi, og Marshall begyndte at tage antibiotika. Marshall udviklede ikke antistoffer mod H. pylori, hvilket tyder på, at den medfødte immunitet undertiden kan udrydde akut H. pylori-infektion. Marshalls sygdom og helbredelse, baseret på en kultur af organismer udvundet fra en patient, opfyldte Kochs postulater for H. pylori og gastritis, men ikke for mavesår. Dette forsøg blev offentliggjort i 1985 i Medical Journal of Australia og er blandt de mest citerede artikler fra tidsskriftet.
Efter sit arbejde på Fremantle Hospital forskede Marshall på Royal Perth Hospital (1985-86) og på University of Virginia i USA (1986-nuværende), inden han vendte tilbage til Australien, mens han fortsat var ansat på fakultetet på University of Virginia. Han havde et Burnet Fellowship ved University of Western Australia (UWA) fra 1998-2003. Marshall fortsætter sin forskning i forbindelse med H. pylori og leder H. pylori Research Laboratory på UWA.
I 2007 accepterede Marshall en deltidsansættelse ved Pennsylvania State University.
I august 2020 accepterede Barry Marshall sammen med Simon J. Thorpe en stilling i den videnskabelige rådgivende bestyrelse for Brainchip INC, et computerchipfirma.