Marshall completò i suoi studi medici all'Università dell'Australia occidentale nel 1974. Incontrò Robin Warren, un patologo che si interessava di disturbi gastrici, durante i corsi di medicina interna al Royal Perth Hospital nel 1981. I due studiarono insieme la presenza di batteri a spirale in caso di gastrite. L'anno successivo iniziarono la coltura dell'"Helicobacter pylori" e svilupparono la loro ipotesi sulla causa batterica dell'ulcera peptica e del tumore dello stomaco.