Zakratko po prichode do tabora bol menovany za velitela zenskeho, detskeho a romskeho oddelenia. V krematoriu c. 2 v Birkenau nechal vybudovat specialne patologicke laboratorium, kde sa vykonavali pitvy ludi cerstvo otravenych plynom. Tu Mengele pracoval na svojom “vyskume”, aby odkryl tajomstvo zdokonalenia “arijskej” rasy. Zhromazdil tu tisice dvojcat. Jedno dieta sluzilo na experimenty, druhé ako referencna vzorka. Vyskum sa skladal z hrubych operacii a bolestivych testov takmer vždy bez pouzitia narkozy. Islo o amputacie, lumbalne punkcie, tyfusove infekcie a umyselne infikovane zranenia, aby bolo mozne sledovat reaakcie. Mengele vstrekoval svojim obetiam rozne roztokypod kozu na hlave, aby zmenil farbu vlasov, alebo do oci, aby ziskali modru farbu, co často zapricinilo rozlicne infekcie a zapaly az slepotu. Raz sa dokonca pokusil zosit 2 deti, aby vytvoril siamske dvojcata! Ak pokusne dieta zomrelo, druhé dvojca bolo ihned usmrtene, aby ich pitvy mohli prebehnut simultanne. Pre tie dvojicky, co prezili pokusy vytvoril zvlastnu skupinu s nazvom C.A.N.D.L.E.S. Ked 27. januara 1945 prisli oslobodzovacie vojska, z 3000 deti bolo nazive iba 200. Pri testovani odolnosti vaznov pouzival elektricke soky. Na pokusy so sterilizaciou zien pouzival roentgenove ziarenie. Na vyskume bolo zainteresovanych mnoho firiem, medzi inymi aj svetoznama firma Bayer so sidlom v Leverkusene, ktora sponzorovala Mengeleho vyskum – 200 mariek za kazdeho usmrteneho vazna.

Pre svojich kolegov bol Jozef Mengele stelesnenim idealneho oddaneho dostojnika SS. Nikdy sa nerozsiroval o svojom osobnom zivote. Roku 1939 sa ozenil s dcerou obchodnika Irene Schoenbeinovou. V marci 1944, ked sa mu narodil syn Rolf, si dokonaca ani nevzal dovolenku, aby ho videl. Svojho syna videl az o 6 mesiacov pocas kratkej tyzdennej dovolenky. Ked sa v januari 1945 priblizila sovietska armada, bol z toho velmi deprimovany predstavou, ze vysledky jeho pokusov padnu do ruk Rusom.Vo svojich pokusoch pokracoval az do 5.12.1944, ale zaroven podnikal kroky, aby odstranil dokazy svojej cinnosti v tabore Osviencim. Jeho patologicke laboratorium a plynove komory boli znicene. 17.januara 1945 usiel. Niekolkokrat bol zatknuty, ale vdaka uplatkom a aj administrativnemu chaosu aj prepusteny, preto odisiel do Argentiny. Po svojom prichode sa pod cudzim menom zaclenil do pocetnej nemeckej komunity. Po naviazani dolezitych kontaktov sa rozhodol podnikat. V roku 1955 prisiel do Europy. Pri ceste do Mnichova mal autonehodu.