Wykonywano amputacje, punkcje lędźwiowe, wstrzykiwanie bakterii powodujących tyfus, umyślne zakażanie ran i inne. Mengele wielokrotnie rozkazywał przeprowadzenie całkowitej wymiany krwi między parami bliźniąt. W obozie miał dwie pracownie eksperymentalne oraz salę do przeprowadzania sekcji zwłok, ulokowaną w jednym z krematoriów.
Mengele eksperymentował również na więźniach w celu opracowania skutecznego środka, który miał służyć do zwalczania świerzbu. Stosował on m.in. kąpiele z tiosiarczanem sodu i roztworem kwasu solnego (4–6%).
Wyniki swoich badań nad bliźniętami zamierzał wykorzystać do napisania pracy habilitacyjnej, której jednak nie zdążył ukończyć. Wyniki jego badań nie zachowały się, bo Mengele uciekł z Auschwitz na dziesięć dni przed wkroczeniem Armii Czerwonej, zabierając dokumentację badań nad bliźniętami i karłami, która później najprawdopodobniej została zniszczona.
Współczesne próby odtworzenia programu jego badań oparte są na zeznaniach jego współpracowników, zarówno kolegów-lekarzy, jak i więźniów prowadzących dokumentację. Ocenia się, że badania te nie miały większej wartości naukowej.