În 1979, Marshall a fost numit registrator în medicină la Royal Perth Hospital. L-a întâlnit pe Robin Warren, un patolog interesat de gastrită, în timpul stagiului de bursă în medicină internă la Royal Perth Hospital în 1981. Împreună, cei doi au studiat prezența bacteriilor spiralate în asociere cu gastrita. În 1982, au realizat cultura inițială de H. pylori și și-au dezvoltat ipoteza legată de cauza bacteriană a ulcerului peptic și a cancerului gastric. S-a afirmat că teoria H. pylori a fost ridiculizată de oamenii de știință și medicii consacrați, care nu credeau că vreo bacterie ar putea trăi în mediul acid al stomacului. Marshall a fost citat spunând în 1998 că „toată lumea era împotriva mea, dar eu știam că am avut dreptate”. Pe de altă parte, s-a susținut, de asemenea, că cercetătorii medicali au dat dovadă de un grad adecvat de scepticism științific până când ipoteza H. pylori a putut fi susținută de dovezi.
În 1982 Marshall și Warren au obținut finanțare pentru un an de cercetare. Primele 30 de eșantioane din 100 nu au arătat niciun sprijin pentru ipoteza lor. Cu toate acestea, s-a descoperit că tehnicienii de laborator aruncau culturile după 2 zile. Aceasta era o practică standard pentru tampoanele de gât unde alte organisme din gură făceau ca culturile să nu fie utile după 2 zile. Din cauza altor activități din spital, tehnicienii de laborator nu au avut timp să arunce imediat al 31-lea test în a doua zi, așa că acesta a rămas de joi până luni. În această probă, ei au descoperit prezența H. pylori. S-a dovedit că H. pylori se dezvoltă mai lent de 2 zile și, de asemenea, că culturile de stomac nu sunt contaminate de alte organisme.
În 1983 au prezentat descoperirile lor de până atunci Societății Gastroenterologice din Australia, dar recenzorii au refuzat lucrarea, încadrând-o în ultimele 10% dintre cele primite în 1983.
După încercări eșuate de a infecta purcei în 1984, Marshall, după ce a făcut o endoscopie de bază, a băut un bulion care conținea H. pylori de cultură, așteptându-se să dezvolte, poate ani mai târziu, un ulcer. A fost surprins când, după numai trei zile, a dezvoltat o greață vagă și halitoză (din cauza aclorhidriei, nu exista un acid care să ucidă bacteriile din stomac, iar deșeurile acestora se manifestau sub formă de respirație urât mirositoare), observate doar de mama sa. În zilele 5-8, a dezvoltat vărsături aclorhidrice (fără acid). În ziua a opta, a fost supus unei endoscopii repetate, care a arătat o inflamație masivă (gastrită) și o biopsie din care s-a făcut o cultură de H. pylori, care a arătat că acesta îi colonizase stomacul. În a paisprezecea zi de la ingestie, s-a făcut o a treia endoscopie, iar Marshall a început să ia antibiotice. Marshall nu a dezvoltat anticorpi împotriva H. pylori, ceea ce sugerează că imunitatea înnăscută poate uneori eradica infecția acută cu H. pylori. Boala și recuperarea lui Marshall, bazate pe o cultură de organisme extrase de la un pacient, au îndeplinit postulatele lui Koch pentru H. pylori și gastrită, dar nu și pentru ulcerul peptic. Acest experiment a fost publicat în 1985 în Medical Journal of Australia și se numără printre cele mai citate articole din această revistă.
După activitatea sa la Spitalul Fremantle, Marshall a făcut cercetare la Royal Perth Hospital (1985-86) și la Universitatea din Virginia, SUA (1986-prezent), înainte de a se întoarce în Australia, rămânând în același timp în cadrul facultății Universității din Virginia. A deținut o bursă Burnet la Universitatea din Australia de Vest (UWA) în perioada 1998-2003. Marshall continuă cercetările legate de H. pylori și conduce Laboratorul de cercetare H. pylori de la UWA.
În 2007, Marshall a acceptat o numire cu jumătate de normă la Universitatea de Stat din Pennsylvania.
În august 2020, Barry Marshall, împreună cu Simon J. Thorpe, a acceptat o poziție în consiliul științific consultativ al Brainchip INC, o companie de cipuri pentru calculatoare.
.