1979-ben Marshallt kinevezték a Royal Perth Hospital orvosi rezidensévé. A Royal Perth Kórházban 1981-ben, a belgyógyászati ösztöndíjas képzés során találkozott Robin Warrennel, a gyomorhurut iránt érdeklődő patológussal. A páros együtt tanulmányozta a spirálbaktériumok jelenlétét a gyomorhuruttal összefüggésben. 1982-ben elvégezték a H. pylori első tenyésztését, és kidolgozták a gyomorfekély és a gyomorrák bakteriális okával kapcsolatos hipotézisüket. Azt állították, hogy a H. pylori elméletet nevetségessé tették a bevett tudósok és orvosok, akik nem hitték, hogy a gyomor savas környezetében bármilyen baktérium képes élni. Marshallt 1998-ban úgy idézték, hogy “mindenki ellenem volt, de én tudtam, hogy igazam van”. Másrészt azzal is érveltek, hogy az orvosi kutatók megfelelő mértékű tudományos szkepticizmust tanúsítottak mindaddig, amíg a H. pylori-hipotézist nem sikerült bizonyítékokkal alátámasztani.
1982-ben Marshall és Warren egyéves kutatásra kapott támogatást. Az első 30 minta 100-ból nem támasztotta alá a hipotézisüket. Azonban kiderült, hogy a laboratóriumi technikusok 2 nap után kidobták a tenyészeteket. Ez volt a szokásos gyakorlat a toroktamponok esetében, ahol a szájban lévő egyéb organizmusok miatt a tenyészetek 2 nap után használhatatlanná váltak. Más kórházi munkák miatt a labortechnikusoknak nem volt idejük arra, hogy a 31. tesztet a második napon azonnal kidobják, így az csütörtöktől hétfőig maradt. Ebben a mintában fedezték fel a H. pylori jelenlétét. Kiderült, hogy a H. pylori 2 napnál lassabban szaporodik, és az is, hogy a gyomorkultúrákat nem szennyezik más organizmusok.
1983-ban benyújtották eddigi eredményeiket az Ausztrál Gasztroenterológiai Társasághoz, de a bírálók elutasították a dolgozatukat, az 1983-ban beérkezett dolgozatok közül az alsó 10%-ba sorolták.
A malacok megfertőzésére tett sikertelen kísérletek után 1984-ben Marshall, miután elvégeztetett egy alapszintű endoszkópiát, tenyésztett H. pylori-t tartalmazó levest ivott, arra számítva, hogy talán évekkel később fekélyt kap. Meglepődött, amikor mindössze három nappal később homályos hányinger és szájszag alakult ki nála (az aklórhidria miatt nem volt sav, amely elpusztította volna a baktériumokat a gyomorban, és azok salakanyagai rossz leheletként jelentkeztek), amit csak az édesanyja vett észre. Az 5-8. napon achlorhidriás (sav nélküli) hányás alakult ki nála. A nyolcadik napon ismételt endoszkópiát végeztek rajta, amely masszív gyulladást (gyomorhurutot) mutatott ki, és biopsziát vettek belőle, amelyből H. pylori tenyésztést végeztek, ami kimutatta, hogy a H. pylori megtelepedett a gyomrában. A lenyelést követő tizennegyedik napon harmadik endoszkópiát végeztek, és Marshall antibiotikumot kezdett szedni. Marshallnál nem alakultak ki antitestek a H. pylori ellen, ami arra utal, hogy a veleszületett immunitás néha képes felszámolni az akut H. pylori-fertőzést. Marshall betegsége és gyógyulása a betegből kivont organizmusok tenyésztése alapján megfelelt a Koch-féle posztulátumoknak a H. pylori és a gyomorhurut esetében, de nem a peptikus fekély esetében. Ez a kísérlet 1985-ben jelent meg a Medical Journal of Australia című orvosi folyóiratban, és a folyóirat legtöbbet idézett cikkei között szerepel.
A Fremantle Kórházban végzett munkája után Marshall a Royal Perth Kórházban (1985-86) és az amerikai Virginia Egyetemen (1986-tól napjainkig) végzett kutatásokat, majd visszatért Ausztráliába, miközben a Virginia Egyetem tanára maradt. A Nyugat-Ausztráliai Egyetemen (UWA) 1998-2003 között Burnet-ösztöndíjas volt. Marshall folytatja a H. pylori-val kapcsolatos kutatásokat és vezeti a H. pylori Research Laboratory-t az UWA-n.
2007-ben Marshall elfogadta a Pennsylvania Állami Egyetem részmunkaidős kinevezését.
2020 augusztusában Barry Marshall Simon J. Thorpe-pal együtt elfogadta a Brainchip INC, egy számítógépes chipekkel foglalkozó cég tudományos tanácsadó testületének tagságát.