En 1974, il publie un article, « Are Government Bonds Net Wealth? », dans lequel il montre que, sous certaines conditions, le financement des dépenses publiques par la dette ou la hausse des impôts (préconisé par les keynesiens) n'a aucun impact positif sur le revenu et la croissance: en prévision des impôts futurs nécessaires pour rembourser la dette, les ménages économiseront davantage, neutralisant les effets de toute politique de relance. Cet article est l'un des plus importants dans la macroéconomie contemporaine. Il approfondit l'équivalence ricardienne, soulevée par l'économiste classique britannique David Ricardo, et souvent appelée « effet Ricardo-Barro ».
En 1976 il avance dans son article « Rational Expectations and the Role of Monetary Policy » que les banques centrales n'ont réussi à faire baisser le chômage que lorsqu'elles ont trompé les acteurs du marché sur les anticipations d'inflation. Il remet par là en cause la Courbe de Phillips et s'inscrit dans la théorie des anticipations rationnelles de Robert E. Lucas. Il appliqua cette même réflexion fondée sur les asymétries d'information dans un article de 1983 sur les banques centrales. Il conclut que, pour être crédibles et efficaces, les banques centrales doivent se donner un objectif d'inflation et ne pas en dévier.
Depuis les années 1990, ses recherches portent sur les déterminants de la croissance économique, avec en particulier son ouvrage Determinants of Economic Growth: A Cross-Country Empirical Study. S'il déclare qu'« il n'existe aucune solution miracle pour favoriser la croissance économique », il distingue néanmoins certains facteurs favorables : la garantie des droits de propriété et de la règle de droit ainsi qu'un commerce libre tant sur le marché domestique que vis à vis du reste du monde. Il ajoute également, toujours sur la base de ses études statistiques, les investissements dans certaines infrastructures publiques (transports et communications) ainsi que dans l'éducation et la santé, qui permettent d'améliorer l'efficacité des facteurs et d'auto-entretenir la croissance (la croissance permet l'augmentation des recettes publiques, donc des investissements publics qui permettent eux-memes la croissance). A l'inverse, des mesures qu'il qualifie de plus « sociales » n'ont pas d'impact sensible : protection de l'environnement, lutte contre les inégalités de revenus, etc.
Il a par ailleurs développé avec Xavier Sala-i-Martin l'idée de convergence à terme des différentes régions d'un pays vers le même niveau de vie. Ils se sont fondé sur l'exemple des États du sud des États-Unis qui, entre 1880 et 1980, ont rattrapé progressivement les états du nord, au rythme d'environ 2 à 3% par an. Ses deux manuels Macroéconomie (1984) et Croissance économique (1995) restent des classiques.
Dans les années 2000, il travaille avec son épouse, Rachel McCleary, sur l'impact de la religion sur la croissance économique. Il observe que les croyances religieuses fortes jouent plutôt un rôle positif dans le développement économique mais qu'une pratique trop assidue de la religion a l'effet inverse.
Avec six articles-cultes, il figure dans le peloton de tête d’une liste récente des 146 articles économiques les plus influents depuis 1970. Il partage cet honneur avec deux autres économistes seulement (Eugene Fama et Joseph Stiglitz). Il est pour RePEc l'économiste le plus influent actuellement.