Em 1979, Marshall foi nomeado como Registrar em Medicina no Hospital Royal Perth. Ele conheceu Robin Warren, um patologista interessado em gastrite, durante um treinamento de medicina interna no Royal Perth Hospital em 1981. Juntos, a dupla estudou a presença de bactérias espiraladas em associação com a gastrite. Em 1982, eles realizaram a cultura inicial de H. pylori e desenvolveram suas hipóteses relacionadas à causa bacteriana da úlcera péptica e do câncer gástrico. Foi afirmado que a teoria do H. pylori foi ridicularizada por cientistas e médicos estabelecidos, que não acreditavam que qualquer bactéria pudesse viver no ambiente ácido do estômago. Marshall foi citado como tendo dito em 1998 que “todos estavam contra mim, mas eu sabia que eu estava certo”. Por outro lado, também tem sido argumentado que pesquisadores médicos mostraram um grau adequado de ceticismo científico até que a hipótese de H. pylori pudesse ser apoiada por evidências.
Em 1982 Marshall e Warren obtiveram financiamento para um ano de pesquisa. As primeiras 30 de cada 100 amostras não mostraram suporte para suas hipóteses. Entretanto, foi descoberto que os técnicos de laboratório estavam jogando fora as culturas após 2 dias. Esta era uma prática padrão para esfregaços de garganta onde outros organismos na boca tornavam as culturas inúteis após 2 dias. Devido a outros trabalhos hospitalares, os técnicos de laboratório não tiveram tempo para imediatamente deitar fora o 31º teste no segundo dia, pelo que este permaneceu de quinta-feira até segunda-feira. Nesta amostra, eles descobriram a presença de H. pylori. Acontece que o H. pylori cresce mais lentamente do que 2 dias, e também que as culturas estomacais não estão contaminadas por outros organismos.
Em 1983 eles submeteram seus achados até agora à Sociedade Gastroenterológica da Austrália, mas os revisores recusaram seu trabalho, classificando-o nos 10% inferiores dos que receberam em 1983.
Após tentativas fracassadas de infectar leitões em 1984, Marshall, após ter feito uma endoscopia de base, bebeu um caldo contendo H. pylori cultivado, esperando desenvolver, talvez anos mais tarde, uma úlcera. Ele ficou surpreso quando, apenas três dias depois, desenvolveu náusea e halitose vagas (devido à acloridria, não havia ácido para matar bactérias no estômago, e seus resíduos se manifestavam como mau hálito), notado apenas por sua mãe. Nos dias 5-8, ele desenvolveu acloridrido (sem ácido) vomitando. No oitavo dia, ele fez uma endoscopia de repetição, que mostrou inflamação maciça (gastrite), e uma biópsia da qual H. pylori foi cultivado, mostrando que tinha colonizado seu estômago. No décimo quarto dia após a ingestão, foi feita uma terceira endoscopia, e Marshall começou a tomar antibióticos. Marshall não desenvolveu anticorpos para a H. pylori, sugerindo que a imunidade inata pode às vezes erradicar a infecção aguda pela H. pylori. A doença e recuperação de Marshall, baseada em uma cultura de organismos extraídos de um paciente, cumpriu os postulados de Koch para H. pylori e gastrite, mas não para úlcera péptica. Esta experiência foi publicada em 1985 no Medical Journal of Australia e está entre os artigos mais citados da revista.
Após seu trabalho no Fremantle Hospital, Marshall fez pesquisas no Royal Perth Hospital (1985-86) e na Universidade da Virgínia, EUA (1986-presente), antes de retornar à Austrália enquanto permanecia no corpo docente da Universidade da Virgínia. Ele realizou uma Burnet Fellowship na University of Western Australia (UWA) de 1998 a 2003. Marshall continua a pesquisa relacionada a H. pylori e dirige o Laboratório de Pesquisa H. pylori na UWA.
Em 2007, Marshall aceitou um compromisso de meio período na Universidade Estadual da Pensilvânia.
Em agosto de 2020 Barry Marshall, juntamente com Simon J. Thorpe, aceitou um cargo no conselho consultivo científico da Brainchip INC, uma empresa de chips de computador.