Маршалл хорошо известен тем, что доказал, что бактерия Helicobacter pylori является причиной большинства пептических язв, опровергнув десятилетия медицинской доктрины, согласно которой язвы вызываются стрессом, острой пищей и слишком большим количеством кислоты.
После этой работы в больнице Фримантла Маршалл провел исследования в Королевской больнице Перта (1985-86) и в Университете Вирджинии, США (1986-1996), прежде чем вернуться в Австралию.