Marcin Pękalski rozpoczął swoją karierę badawczą jako stypendysta programu Early Career Marie Curie na Uniwersytecie w Newcastle (Wielka Brytania), gdzie prowadził badania nad limfocytami T. Następnie przeniósł się do Cambridge Institute for Medical Research, University of Cambridge, gdzie w Laboratorium Diabetes and Inflammation Laboratory (DIL) pod kierownictwem Johna A Todda oraz Lindy Wicker skupił się na identyfikacji mechanizmów chorób autoimmunologicznych człowieka na podstawie badan genetycznych cukrzycy typu 1, z wykorzystanie Cambridge Bioresource (NIHR BioResource Centre Cambridge). Również w Cambridge rozpoczął badania homeostatycznej ekspansji naiwnych komórek T w trakcie inwolucji grasicy. Na Uniwersytecie Oksfordzkim kontynuował badania nad limfocytami, opisując recent thymic emigrants (RTE) – nowo powstałe komórki T, które charakteryzują się antybakteryjnym profilem molekularnym, typowym dla odpowiedzi nieswoistej.
Jego prace dotyczące mikrobiomu i układu odpornościowego doprowadziły do istotnych odkryć w zakresie etiologii cukrzycy typu 1 (T1D), biologii komórek RTE oraz wpływu interleukiny 2 (IL-2) na komórki regulatorowe (Treg). Jest inicjatorem, autorem i członkiem zespołu badawczego międzynarodowego projektu SINT1A (GPPAD) badania klinicznego z zastosowaniem Bifidobacterium longum infantis EVC001 w prewencji cukrzycy typu 1 u noworodków z genetyczna predyspozycja do rozwoju tej najczęstszej choroby autoimmunologicznej u dzieci. Współautor badania oraz kierownik naukowy badania PROTECT MS.