Nel periodo che trascorse ad Auschwitz, Mengele organizzò una squadra di cui fecero parte tra l'altro un'antropologa, la prigioniera polacca Martyna Puzyna, e un patologo, l'ebreo ungherese Miklós Nyiszli; vi era anche la pittrice ebrea boema Dina Gottlieb, che realizzava disegni di parti del corpo o figure intere; tutti costoro erano reclutati all'interno dello stesso campo e quindi a loro volta prigionieri. In aggiunta alle sue mansioni come medico del campo, Mengele conduceva "ricerche" sui gemelli monozigoti, sui nani e su bambini nati con anomalie; i soggetti dei suoi esperimenti erano scelti nell'intero campo di Auschwitz. Secondo la testimonianza di Martyna Puzyna, venivano effettuate misurazioni che coinvolgevano anche 250 paia di gemelli alla volta, costretti a rimanere per ore in piedi, nudi in una stanza non riscaldata. Dopo il completamento degli esami, molti dei soggetti venivano uccisi con iniezioni di fenolo nel cuore, eseguite dallo stesso Mengele o dai suoi assistenti; i cadaveri venivano poi dissezionati e Mengele inviava i referti delle sue dissezioni (talora anche parti del corpo conservate nell'alcool) all'istituto di von Verschuer, a Berlino.