Vuonna 1979 Marshall nimitettiin lääketieteen erikoislääkäriksi Perthin kuninkaalliseen sairaalaan. Hän tapasi Robin Warrenin, gastriitista kiinnostuneen patologin, sisätautien apulaislääkärikoulutuksen aikana Royal Perth Hospitalissa vuonna 1981. Yhdessä he tutkivat spiraalibakteerien esiintymistä gastriitin yhteydessä. Vuonna 1982 he suorittivat ensimmäisen H. pylori -bakteeriviljelyn ja kehittivät hypoteesinsa, joka liittyi mahahaavan ja mahasyövän bakteerisyyhyn. On väitetty, että vakiintuneet tiedemiehet ja lääkärit pilkkasivat H. pylori -teoriaa, koska he eivät uskoneet, että mikään bakteeri voisi elää mahalaukun happamassa ympäristössä. Marshallin sanottiin vuonna 1998 sanoneen, että ”kaikki olivat minua vastaan, mutta tiesin olevani oikeassa”. Toisaalta on myös väitetty, että lääketieteen tutkijat osoittivat asianmukaista tieteellistä skeptisyyttä siihen asti, kunnes H. pylori -hypoteesin tueksi saatiin näyttöä.
Vuonna 1982 Marshall ja Warren saivat rahoituksen vuoden mittaista tutkimusta varten. Ensimmäiset 30 näytettä 100 näytteestä eivät tukeneet heidän hypoteesiaan. Huomattiin kuitenkin, että laboratorioteknikot olivat heittäneet viljelmät pois kahden päivän kuluttua. Tämä oli vakiokäytäntö nielun pyyhkäisynäytteiden osalta, kun muut suussa olevat organismit tekivät viljelmistä käyttökelvottomia kahden päivän jälkeen. Muiden sairaalatöiden vuoksi laboratorioteknikot eivät ehtineet heittää 31. testiä pois heti toisena päivänä, joten se jäi torstaista maanantaihin. Tässä näytteessä havaittiin H. pylori. Kävi ilmi, että H. pylori kasvaa hitaammin kuin 2 päivää, ja myös se, että vatsaviljelmät eivät ole muiden organismien saastuttamia.
Vuonna 1983 he toimittivat tähänastiset tuloksensa Australian Gastroenterological Society of Australia -yhdistykselle (Gastroenterologinen yhdistys Australiassa), mutta arvostelijat hylkäsivät heidän artikkelinsa, sillä he luokittelivat sen alimpaan 10 %:iin niistä, jotka he saivat vastaanotetuksi vuonna 1983.
Epäonnistuneiden porsaiden tartuttamisyritysten jälkeen vuonna 1984 Marshall joi perusendoskopian teettämisen jälkeen lientä, joka sisälsi viljeltyä H. pylori -bakteeria, odottaen, että hänelle kehittyisi, ehkä vuosia myöhemmin, haavauma. Hän yllättyi, kun vain kolme päivää myöhemmin hänelle kehittyi epämääräinen pahoinvointi ja hajuhaitat (aklorydrian vuoksi vatsassa ei ollut happoa, joka olisi voinut tappaa bakteereja, ja niiden jätetuotteet ilmenivät pahanhajuisena hengityksenä), jotka vain hänen äitinsä huomasi. Päivinä 5-8 hänelle kehittyi aklorhydria (ei happoa) oksentelua. Kahdeksantena päivänä hänelle tehtiin toistuva tähystys, joka osoitti massiivisen tulehduksen (gastriitti) ja biopsian, josta otettiin H. pylori -bakteeriviljely, joka osoitti, että se oli kolonisoinut hänen vatsansa. Neljäntenätoista päivänä nauttimisesta tehtiin kolmas tähystys, ja Marshall alkoi käyttää antibiootteja. Marshallille ei kehittynyt vasta-aineita H. pyloria vastaan, mikä viittaa siihen, että synnynnäinen immuniteetti voi joskus hävittää akuutin H. pylori -infektion. Marshallin sairastuminen ja toipuminen, joka perustui potilaasta otettujen organismien viljelyyn, täytti Kochin postulaatit H. pylorin ja gastriitin osalta, mutta ei mahahaavan osalta. Tämä koe julkaistiin vuonna 1985 Medical Journal of Australia -lehdessä, ja se kuuluu lehden siteeratuimpiin artikkeleihin.
Fremantlen sairaalassa tekemänsä työn jälkeen Marshall teki tutkimustyötä Royal Perthin sairaalassa (1985-86) ja Virginian yliopistossa Yhdysvalloissa (1986-nykyisinä vuosina), ennen kuin hän palasi Australiaan pysyessään Virginian yliopiston tiedekunnassa. Hänellä oli Burnet Fellowship -apuraha Länsi-Australian yliopistossa (University of Western Australia, UWA) vuosina 1998-2003. Marshall jatkaa H. pyloriin liittyvää tutkimusta ja johtaa H. pylori -tutkimuslaboratoriota UWA:ssa.
Vuonna 2007 Marshall otti vastaan osa-aikaisen nimityksen Pennsylvanian valtionyliopistoon.
Elokuussa 2020 Barry Marshall otti yhdessä Simon J. Thorpen kanssa vastaan paikan tietokonesiruja valmistavan Brainchip INC:n tieteellisestä neuvoa-antavasta toimikunnasta.