In 1979 werd Marshall aangesteld als registrator geneeskunde in het Royal Perth Hospital. Hij ontmoette Robin Warren, een patholoog met belangstelling voor gastritis, tijdens zijn stage interne geneeskunde in het Royal Perth Hospital in 1981. Samen bestudeerden zij de aanwezigheid van spiraalvormige bacteriën in verband met gastritis. In 1982 voerden zij de eerste kweek van H. pylori uit en ontwikkelden zij hun hypothese in verband met de bacteriële oorzaak van maagzweer en maagkanker. Er wordt beweerd dat de H. pylori-theorie belachelijk werd gemaakt door gevestigde wetenschappers en artsen, die niet geloofden dat er bacteriën konden leven in het zure milieu van de maag. Marshall zou in 1998 gezegd hebben dat “iedereen tegen me was, maar ik wist dat ik gelijk had”. Anderzijds is ook betoogd dat medische onderzoekers een gepaste mate van wetenschappelijke scepsis aan de dag legden totdat de H. pylori-hypothese met bewijzen kon worden gestaafd.
In 1982 verkregen Marshall en Warren financiering voor een jaar onderzoek. De eerste 30 van de 100 monsters toonden geen steun voor hun hypothese. Men ontdekte echter dat de laboranten de kweken na 2 dagen hadden weggegooid. Dit was een standaardpraktijk voor keelswabs waarbij andere organismen in de mond ervoor zorgden dat kweken na 2 dagen niet meer bruikbaar waren. Wegens andere werkzaamheden in het ziekenhuis hadden de laboranten geen tijd om de 31e test op de tweede dag onmiddellijk weg te gooien, zodat deze van donderdag tot en met maandag bleef liggen. In dit monster ontdekten zij de aanwezigheid van H. pylori. Het blijkt dat H. pylori langzamer groeit dan 2 dagen, en ook dat de maagculturen niet besmet zijn met andere organismen.
In 1983 dienden zij hun bevindingen tot dusver in bij de Gastroenterological Society of Australia, maar de recensenten wezen hun paper af, en beoordeelden het in de onderste 10% van die welke zij in 1983 ontvingen.
Na mislukte pogingen om biggen te besmetten in 1984, dronk Marshall, nadat hij een basis endoscopie had laten doen, een bouillon met gekweekte H. pylori, in de verwachting dat hij, misschien jaren later, een maagzweer zou ontwikkelen. Hij was verrast toen hij, slechts drie dagen later, vage misselijkheid en halitosis kreeg (door de achlorhydria was er geen zuur om de bacteriën in de maag te doden, en hun afvalproducten manifesteerden zich als slechte adem), alleen opgemerkt door zijn moeder. Op dag 5-8 ontwikkelde hij achlorhydrisch (geen zuur) braken. Op dag acht onderging hij een herhaalde endoscopie, die een massale ontsteking (gastritis) liet zien, en een biopsie waaruit H. pylori werd gekweekt, waaruit bleek dat het zijn maag had gekoloniseerd. Op de veertiende dag na de inname werd een derde endoscopie verricht en begon Marshall antibiotica te slikken. Marshall ontwikkelde geen antilichamen tegen H. pylori, wat suggereert dat aangeboren immuniteit soms een acute H. pylori-infectie kan uitroeien. Marshall’s ziekte en herstel, gebaseerd op een kweek van organismen uit een patiënt, voldeden aan Koch’s postulaten voor H. pylori en gastritis, maar niet voor een maagzweer. Dit experiment werd in 1985 gepubliceerd in het Medical Journal of Australia en behoort tot de meest geciteerde artikelen uit het tijdschrift.
Na zijn werk in het Fremantle Hospital deed Marshall onderzoek in het Royal Perth Hospital (1985-86) en aan de Universiteit van Virginia, VS (1986-heden), voordat hij terugkeerde naar Australië terwijl hij aan de faculteit van de Universiteit van Virginia verbonden bleef. Hij bekleedde een Burnet Fellowship aan de University of Western Australia (UWA) van 1998-2003. Marshall blijft onderzoek doen in verband met H. pylori en leidt het H. pylori Research Laboratory aan de UWA.
In 2007 aanvaardde Marshall een deeltijdaanstelling aan de Pennsylvania State University.
In augustus 2020 aanvaardde Barry Marshall, samen met Simon J. Thorpe, een positie in de wetenschappelijke adviesraad van Brainchip INC, een computerchipbedrijf.