W 1941 została awansowana na SS-Oberaufseherin, czyli główną nadzorczynię obozu kobiecego, której podlegały wszystkie strażniczki ze służb pomocniczych SS. Przez więźniów była nazywana „Suką z Buchenwaldu” lub „Wiedźmą z Buchenwaldu”. Więźniowie zeznawali po wojnie, iż Ilse Koch osobiście wybierała więźniów z „ciekawymi” tatuażami, po czym nakazywała wyrabianie rękawiczek, torebek, opraw książek i abażurów z ludzkiej skóry (z tego względu zyskała także przydomek „Ilsa-Abażur”). Stwierdzono, że pod wpływem męża zaczęła torturować więźniów i więźniarki, m.in. z lubością zmuszając ich do gwałtów na innych współwięźniarkach. Za te ekscesy o podłożu seksualnym została zdyscyplinowana nawet przez nazistów.

W sierpniu 1943 małżonkowie zostali aresztowani przez SS w Weimarze pod zarzutem korupcji i potrójnego morderstwa. Nie potwierdziły się podejrzenia, że Ilse Koch pomagała w defraudacji kosztowności pochodzących od ludzi osadzonych w obozie, za którą Karl Koch został stracony przez władze hitlerowskie tuż przed końcem wojny. W grudniu 1944 Ilse Koch została uniewinniona. 30 czerwca 1945 w Ludwigsburgu została aresztowana przez wojska amerykańskie jako domniemana zbrodniarka wojenna. W 1947 została jako jedyna kobieta oskarżona w procesie buchenwaldzkim w Dachau za przestępstwa przeciwko ludzkości i skazana na karę dożywocia.