W 1979 roku, Marshall został mianowany jako Registrar w Medycynie w Royal Perth Hospital. Poznał Robina Warrena, patologa zainteresowanego zapaleniem błony śluzowej żołądka, podczas szkolenia w zakresie medycyny wewnętrznej w Royal Perth Hospital w 1981 roku. Wspólnie badali obecność bakterii spiralnych w związku z zapaleniem żołądka. W 1982 roku przeprowadzili pierwszą hodowlę H. pylori i opracowali swoją hipotezę dotyczącą bakteryjnej przyczyny choroby wrzodowej i raka żołądka. Twierdzi się, że teoria H. pylori została wyśmiana przez uznanych naukowców i lekarzy, którzy nie wierzyli, że jakiekolwiek bakterie mogą żyć w kwaśnym środowisku żołądka. Marshall był cytowany jako mówiący w 1998 roku, że „wszyscy byli przeciwko mnie, ale ja wiedziałem, że mam rację.” Z drugiej strony twierdzono również, że badacze medyczni wykazali właściwy stopień naukowego sceptycyzmu, dopóki hipoteza H. pylori nie mogła zostać poparta dowodami.
W 1982 roku Marshall i Warren uzyskali fundusze na jeden rok badań. Pierwsze 30 z 100 próbek nie wykazało żadnego wsparcia dla ich hipotezy. Jednakże odkryto, że technicy laboratoryjni wyrzucali kultury po 2 dniach. Była to standardowa praktyka w przypadku wymazów z gardła, gdzie inne organizmy w jamie ustnej sprawiały, że posiewy nie były przydatne po 2 dniach. Ze względu na inne prace szpitalne, laboranci nie mieli czasu na natychmiastowe wyrzucenie 31. testu drugiego dnia, więc pozostał on od czwartku do poniedziałku. W tej próbce wykryto obecność H. pylori. Okazuje się, że H. pylori rośnie wolniej niż 2 dni, a także, że kultury żołądka nie są zanieczyszczone przez inne organizmy.
W 1983 roku przedłożyli swoje dotychczasowe ustalenia do Gastroenterological Society of Australia, ale recenzenci obrócili ich papier w dół, oceniając go w dolnych 10% tych, które otrzymali w 1983 roku.
Po nieudanych próbach zainfekowania prosiąt w 1984 roku, Marshall, po wykonaniu endoskopii linii podstawowej, wypił bulion zawierający wyhodowane H. pylori, spodziewając się rozwijać, być może lata później, wrzód. Był zaskoczony, gdy zaledwie trzy dni później pojawiły się u niego niejasne mdłości i halitoza (z powodu achlorhydrii nie było kwasu, który zabijałby bakterie w żołądku, a ich produkty odpadowe przejawiały się jako nieświeży oddech), zauważone tylko przez jego matkę. W dniach 5-8 pojawiły się wymioty achlorhydryczne (bez kwasu). W ósmym dniu miał powtórzoną endoskopię, która wykazała rozległy stan zapalny (zapalenie żołądka) i biopsję, z której wyhodowano H. pylori, wykazując, że skolonizowała ona żołądek. Czternastego dnia po spożyciu wykonano trzecią endoskopię, a Marshall zaczął przyjmować antybiotyki. Marshall nie wytworzył przeciwciał przeciwko H. pylori, co sugeruje, że wrodzona odporność może czasami zwalczać ostre zakażenie H. pylori. Choroba i wyzdrowienie Marshalla, oparte na hodowli organizmów pobranych od pacjenta, spełniały postulaty Kocha dla H. pylori i zapalenia żołądka, ale nie dla wrzodu trawiennego. Eksperyment ten został opublikowany w 1985 roku w Medical Journal of Australia i jest jednym z najczęściej cytowanych artykułów z tego czasopisma.
Po pracy w Fremantle Hospital, Marshall prowadził badania w Royal Perth Hospital (1985-86) i na University of Virginia, USA (1986-obecnie), przed powrotem do Australii, pozostając na wydziale University of Virginia. W latach 1998-2003 był stypendystą Burnet Fellowship na University of Western Australia (UWA). Marshall kontynuuje badania związane z H. pylori i prowadzi Laboratorium Badawcze H. pylori w UWA.
W 2007 roku Marshall przyjął nominację na pół etatu na Pennsylvania State University.
W sierpniu 2020 roku Barry Marshall, wraz z Simonem J. Thorpe, przyjął stanowisko w naukowej radzie doradczej Brainchip INC, firmy produkującej chipy komputerowe.
.