1979年、MarshallはRoyal Perth Hospitalの医学部レジストラに任命された。 1981年、王立パース病院の内科フェローシップ研修中に、胃炎に関心を持つ病理学者ロビン・ウォレンと出会う。 二人は、胃炎に関連するスパイラルバクテリアの存在について研究した。 1982年、彼らはピロリ菌の最初の培養を行い、消化性潰瘍や胃がんの原因菌に関する仮説を展開した。 ピロリ菌説は、胃の酸性環境下で細菌が生きていられるとは思えないと、既存の科学者や医師から嘲笑されたと言われている。 マーシャルは1998年に、”皆に反対されたが、私は自分が正しいと思っていた “と発言しているのが印象的だった。 一方、ピロリ菌の仮説が証拠によって裏付けられるまで、医学研究者は適切な科学的懐疑心を示したとも主張されている
1982年にマーシャルとウォーレンは1年間の研究のための資金を得た。 100のサンプルのうち最初の30は、彼らの仮説の裏付けとなるものを示さなかった。 しかし、研究所の技術者が2日後に培養物を捨てていたことが判明した。 これは、口の中にいる他の生物によって、2日後に培養が役に立たなくなる喉のスワブの標準的なやり方であった。 しかし、病院の他の業務もあり、検査技師は2日目の31回目の検査をすぐに捨てる時間がなく、木曜日から月曜日までそのままにしていた。 この検体から、ピロリ菌が発見された。 ピロリ菌の増殖は2日より遅いこと、胃の培養液が他の生物に汚染されていないことが判明した。
1983年にこれまでの成果をオーストラリア消化器学会に提出したが、査読者は1983年に受け取った論文の中で下位10％に格付けし、辞退させた。
1984年に子豚への感染に失敗したマーシャルは、ベースラインの内視鏡検査を行った後、おそらく数年後に潰瘍ができるだろうと予想して、培養したピロリ菌を含むブロスを飲んだ。 そのわずか3日後に、漠然とした吐き気と口臭（無酸症のため胃の中の細菌を殺す酸がなく、その老廃物が口臭として現れる）が起こり、母親だけが気づいたので彼は驚いた。 5日目から8日目にかけて、無酸症の嘔吐を起こした。 8日目に内視鏡検査を受けたところ、巨大な炎症（胃炎）が見つかり、生検でピロリ菌が培養され、胃に定着していることが判明した。 摂取から14日目に3回目の内視鏡検査が行われ、マーシャルは抗生物質の服用を開始した。 マーシャルはピロリ菌に対する抗体を持たず、自然免疫によって急性ピロリ菌感染が根絶できる場合があることが示唆された。 マーシャルの病状と回復は、患者から抽出した菌の培養に基づくもので、ピロリ菌と胃炎についてはコッホの定説を満たしていたが、消化性潰瘍については満たしていなかったのである。 この実験は1985年にMedical Journal of Australiaに掲載され、同誌で最も引用された論文の一つである。
フリーマントル病院での研究の後、マーシャルはロイヤルパース病院（1985-86年）、米国バージニア大学（1986-）で研究し、バージニア大学の教員をしながらオーストラリアへ帰国した。 1998年から2003年まで、西オーストラリア大学（UWA）でバーネット・フェローシップを受けた。 マーシャルはピロリ菌に関連する研究を続け、UWAでピロリ菌研究室を運営している。
2007年、マーシャルはペンシルバニア州立大学での非常勤職員を受け入れた。
2020年8月、バリー マーシャルはサイモン J. ソープとともにコンピュータチップ会社ブレインチップ INCの科学顧問委員会での地位を受諾した。