En 1979, Marshall est nommé registraire en médecine à l’hôpital Royal Perth. Il a rencontré Robin Warren, un pathologiste intéressé par la gastrite, au cours de sa formation de boursier en médecine interne à l’hôpital Royal Perth en 1981. Ensemble, ils ont étudié la présence de bactéries spiralées en association avec la gastrite. En 1982, ils ont effectué la première culture de H. pylori et ont développé leur hypothèse relative à la cause bactérienne de l’ulcère gastroduodénal et du cancer gastrique. Il a été affirmé que la théorie de H. pylori a été ridiculisée par des scientifiques et des médecins reconnus, qui ne croyaient pas qu’une bactérie puisse vivre dans l’environnement acide de l’estomac. Marshall aurait déclaré en 1998 que « tout le monde était contre moi, mais je savais que j’avais raison ». D’autre part, il a également été affirmé que les chercheurs médicaux ont fait preuve d’un degré approprié de scepticisme scientifique jusqu’à ce que l’hypothèse H. pylori puisse être soutenue par des preuves.
En 1982, Marshall et Warren ont obtenu un financement pour une année de recherche. Les 30 premiers échantillons sur 100 n’ont montré aucune confirmation de leur hypothèse. Cependant, on a découvert que les techniciens de laboratoire avaient jeté les cultures après deux jours. Il s’agissait d’une pratique courante pour les écouvillons de gorge où d’autres organismes présents dans la bouche rendaient les cultures inutiles après deux jours. En raison d’autres travaux à l’hôpital, les techniciens de laboratoire n’ont pas eu le temps de jeter immédiatement le 31e test le deuxième jour, et il est donc resté du jeudi au lundi. Dans cet échantillon, ils ont découvert la présence de H. pylori. Il s’avère que H. pylori se développe plus lentement que 2 jours, et aussi que les cultures d’estomac ne sont pas contaminées par d’autres organismes.
En 1983, ils ont soumis leurs résultats jusqu’à présent à la Gastroenterological Society of Australia, mais les examinateurs ont refusé leur article, le classant dans les 10% inférieurs de ceux qu’ils ont reçus en 1983.
Après des tentatives infructueuses d’infecter des porcelets en 1984, Marshall, après avoir fait faire une endoscopie de référence, a bu un bouillon contenant du H. pylori cultivé, s’attendant à développer, peut-être des années plus tard, un ulcère. Il a été surpris lorsque, trois jours plus tard, il a développé une vague nausée et une halitose (en raison de l’achlorhydrie, il n’y avait pas d’acide pour tuer les bactéries dans l’estomac, et leurs déchets se manifestaient par une mauvaise haleine), remarquées seulement par sa mère. Les jours 5 à 8, il a développé des vomissements achlorhydriques (sans acide). Le huitième jour, il a subi une nouvelle endoscopie, qui a révélé une inflammation massive (gastrite), ainsi qu’une biopsie à partir de laquelle H. pylori a été mis en culture, montrant qu’il avait colonisé son estomac. Le quatorzième jour après l’ingestion, une troisième endoscopie a été réalisée, et Marshall a commencé à prendre des antibiotiques. Marshall n’a pas développé d’anticorps contre H. pylori, ce qui suggère que l’immunité innée peut parfois éradiquer une infection aiguë par H. pylori. La maladie et la guérison de Marshall, basées sur une culture d’organismes extraits d’un patient, répondaient aux postulats de Koch pour H. pylori et la gastrite, mais pas pour l’ulcère gastro-duodénal. Cette expérience a été publiée en 1985 dans le Medical Journal of Australia et figure parmi les articles les plus cités de la revue.
Après son travail à l’hôpital de Fremantle, Marshall a fait des recherches à l’hôpital Royal Perth (1985-86) et à l’université de Virginie, aux États-Unis (1986-présent), avant de revenir en Australie tout en restant à la faculté de l’université de Virginie. Il a été titulaire d’une bourse Burnet à l’Université d’Australie occidentale (UWA) de 1998 à 2003. Marshall poursuit ses recherches liées à H. pylori et dirige le laboratoire de recherche sur H. pylori à l’UWA.
En 2007, Marshall a accepté une nomination à temps partiel à l’Université d’État de Pennsylvanie.
En août 2020, Barry Marshall, ainsi que Simon J. Thorpe, ont accepté un poste au conseil consultatif scientifique de Brainchip INC, une société de puces informatiques.