Pilotul spaniol de la Gresini a avut un start groaznic, dar și-a revenit și l-a ajuns din urmă pe Martin de la Pramac și , în cele din urmă, l-a depășit, cu patru tururi înainte de final.
A însemnat a patra sa victorie la Phillip Island.
În timp ce Marquez a câștigat, Martin și-a consolidat totuși avansul față de italianul de la Ducati, campionul mondial în exercițiu Bagnaia, la 20 de puncte în cursa pentru titlu, cu trei weekenduri de curse rămase.
Pilotul Ducati-VR46 Fabio Di Giannantonio a ocupat locul patru, în fața coechipierului lui Bagnaia, Enea Bastianini, și a lui Franco Morbidelli de la Pramac.
"Am crezut la un moment dat că este imposibil să-l prind pe Martin, dar în turul cinci, șase, am început să prind ritmul", a declarat Marquez, care a mai câștigat în Australia în 2015, 2017 și 2019.
"Este adevărat că Martin a forțat toată cursa, dar am păstrat pneurile pentru ultimul atac".
Martin a fost rapid tot weekendul, conducând de la început până la sfârșit în cursa sprint de sâmbătă, unde Bagnaia a terminat al patrulea.
În timp ce campionatul este efectiv o cursă în doi, victoria lui Marquez, de șase ori campion mondial, menține un ușor suspance că întrecerea s-ar putea transforma într-o competiție în 3.
Dar, la 79 de puncte în urma liderului, Marquez are doar o șansă mică de a strica petrecerea.
Trei curse până la final
Circuitul se mută săptămâna viitoare în Thailanda, înainte de Malaysia și finalul sezonului la Valencia.
Pe o după-amiază însorită, dar cu vânt, Martin și-a păstrat avansul în primul viraj și a dat lovitura.
După trei tururi, Martin avea un avantaj de 0,7sec față de italian.
Dar Marquez s-a reorientat și a început să înregistreze cele mai rapide tururi - inclusiv primul din istorie sub 1min 28sec în condiții de cursă pe circuitul de la malul mării.
Acest lucru l-a propulsat înapoi în contact cu Bagnaia, care se apropia de Martin.
Marquez l-a depășit pe italian în turul 12 al cursei de 27 de tururi, trecând pe locul al doilea, semnalând că a început o luptă pentru primul loc.
Cu 10 tururi înainte de final, Martin avea doar 0,225 secunde avans față de Marquez, iar Bagnaia era la 1,7 secunde în urmă.
Marquez a atacat cu patru tururi înainte de final, când Martin a ieșit larg în virajul patru și a preluat conducerea pentru prima dată.
Martin l-a ajuns un tur mai târziu înainte ca Marquez să răspundă aproape imediat și să obțină a treia victorie a sezonului.