Su formación académica se completó entre la Universidad Complutense de Madrid, donde estudió ciencias químicas y en Estados Unidos (1974), donde estuvo como becario y fue ascendiendo hasta llegar a Director del Departamento de Oncología en el Instituto Nacional del Cáncer de Maryland. Años más tarde regresó a su país natal para situarse al frente del novedoso Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO).

Entre sus mayores aportaciones a la ciencia cabría destacar que consiguió aislar el oncogén humano H-ras en carcinoma de vejiga.

Este hecho supuso un increíble avance para el estudio de las bases moleculares del cáncer. Su descubrimiento fue publicado en Nature en 1982 en un artículo llamado «A point mutation is responsible for the acquisition of transforming properties by the T24 human bladder-carcinoma oncogene».

En los meses siguientes estuvo ampliando sobre su descubrimiento llegando a determinar que dicho oncogén era una mutación de un alelo perteneciente a la familia Ras, y descubriendo su mecanismo de activación.

En 2003 demostró que la enzima CDK2, que se creía imprescindible en la división celular, no se necesitaba para el inicio de la replicación.

El último descubrimiento por el que ha vuelto a destacar Mariano Barbacid y su equipo (Investigadores del Grupo de Oncología Experimental del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas, CNIO), es  la eliminación en un modelo experimental de ratones el adenocarcinoma ductal de páncreas (ADP), una de las formas más agresivas de tumor y de las que más resistencia presenta a los tratamientos actuales. No obstante, el científico ha advertido de que quedan unos 5 – 10 años para que se pueda aplicar el hallazgo a la clínica.