Tra le ricerche condotte da Mengele nel campo, quelle a cui dedicò più energia e attenzione (praticate già un anno prima dell'entrata ad Auschwitz) furono riservate ai gemelli; in particolar modo concentrò la sua attenzione sui gemelli monozigoti. Lo stesso Mengele si recava alla banchina, dove arrivavano i treni dei prigionieri, per selezionare di persona i gemelli non appena scendevano. I gruppi di gemelli comprendevano individui delle età più diverse: tra questi veniva scelto il più anziano, che assumeva la funzione di "Zwillingsvater" (capogemelli o padre dei gemelli), e per distinguerli ulteriormente dagli altri prigionieri, venivano loro tatuate insieme al numero di identificazione anche le due lettere ZW (cioè "Zwillinge", gemello). Delle sue ricerche Mengele teneva sempre informato il suo ex professore universitario, von Verschuer, inviando anche all'istituto di biologia razziale a Berlino esemplari e relazioni.