1928年8月至1930年，石井四郎到欧洲“考察”，北野政次说过：“石井最初是自费，后来才变成国费。”而当时日本军事机构惯例，经常派遣所谓“最优秀的年轻军官”到海外学习、考察军事，同时尽可能地收集请报。所以，石井四郎应是日本军方派遣，“自费”一说应是为掩人耳目。石井四郎历时两年，到过新加坡、锡兰、埃及、希腊、土耳其、意大利、法国、瑞士、德国、奥地利、匈牙利、捷克斯洛伐克、比利时、荷兰、丹麦、瑞典、挪威、芬兰、苏联、爱沙尼亚、拉TUO维亚、东普鲁士、夏威夷、加拿大及美国本土,而石井四郎考察的重点是暗中调查德国秘密研制细菌武器的请况。据史料披露石井四郎此行，是由以日本陆军省第一干将而闻名的永田铁山大佐的派遣。
石井四郎于1930年秋回到日本，向已升任为日本陆军省军务局局长的永田铁山少将汇报，在结束汇报时，石井四郎建议：“我认为，研制细菌武器己刻不容缓，迟延一日，必将使日本遗恨无穷。”石井四郎回到东京4个月后，被任命为陆军军医学校防疫部教官，同时晋升为陆军少佐。他继续游说细菌战的重要，所持的最重要的理由竟然是“细菌战无疑具有特殊的可能新，否则联合国也不会禁止”。
石井四郎的目的是想在陆军军医学校设立一个以他为首的“防疫研究室”，以开展细菌战的研究，并逐步成为日本细菌战的大本营。石井四郎力主研究和利用细菌战的建议，得到了日本统治集团的赞赏，陆军省军务局永田铁山少将、参谋本部铃木率道大佐等人都予以了积极帮助。
此外，石井四郎还得到了号称日本“化学战之父”小泉亲彦的大力支持。小泉是当时日本最重要的军事科学家，可以说是日本军事医学的开拓者，后一度任过陆军军医总监。1941年7月18日，还曾出任第三次近卫内阁的卫生大臣。小泉亲彦也是个狂热的民族主义者，他支持日本的扩张政策，却还自命为是一个“人道主义者。
1932年8月，东京若松町的陆军军医学校内，所谓的“防疫研究室”终于设立了。尽管当时是设在防疫部的地下室，规模较小，石井四郎也仅有5名助手，但却是石井四郎“食人魔窟”起始的雏形。
1932年末，为了加紧细菌战的研究，日本军部一再下令：要“以物质和名望来满足石井四郎的需要”。经日本陆军参谋本部批准，在秘密账户上拨款20万日元。而在当时的日本还正处于经济大恐慌时期，20万日元可算是一笔很大的经费了。其他日本陆军部队的经费都处于拮据之中，而石井四郎的细菌战研究经费的预算却是在逐年地增加。1933年8月，日本陆军军医学校校长小泉将自己实验室后面的一块地给了石井四郎，在此处又建成一栋面积达1795平方米的新楼，与防疫部原来的建筑相接连，并改称为“防疫研究所”。直到1945年日本投降，这里一直是石井四郎在东京的细菌战大本营，石井曾洋洋得意地说：它是日本“制造军火工厂的楷模”。
选择据点
石井四郎并不满足于仅在日本本土上研究细菌战，于是他亲自执笔撰写报告，请陆军省军医总监西汉行藏中将转交陆军大臣荒木贞夫。报告中提出请求：“现在，我们感到，对细菌武器的研究，是必须加以实验的时候了，我们要求军部，把我们全体调到满洲，使我们用来维护皇军的细菌武器得以高度的发展。”日本大本营批准了他的报告。
1932年8月31日，石井四郎和他从小长大的朋友增田知贞以及4名助手、5名雇员随行，到中国东北花费了一个多月的时间，跑遍了整个东北。目的是要在中国东北选择建立细菌研究基地的地址，之所以选择东北，是因为在中国东北容易得到细菌研究的“材料”——活人;另外，中国东北靠近苏联，气候也与其相似，一旦与苏军交战，可以直接地实施细菌攻击。但在具体地点的选择上发生争执，关东军的石原莞尔主张设在牡丹江，而石井四郎却执意要建在“北满”的最大城市哈尔滨。最后，石井四郎的主张得到了日本大本营的支持。同时，石井四郎的细菌战计划，也得到了关东军的大力支持。关东军高层认为细菌战能起着击败苏军的重要作用，细菌战将成为抵消日军在对苏作战中兵力上的劣势。
1933年8月的一天，石井四郎命令日军在哈尔滨市南岗区宣化街与文庙街交叉口一带，撵走了当地的商店主、职员和居民，秘密设立了细菌研究所(石井部队)，密称“加茂部队”，取名“加茂”，是源自石井的家乡名称。此外，这支臭名昭著的细菌部队还常冠名为“东乡部队”，这是因为石井四郎十分崇拜在日俄战争中的东乡平八郎元帅，而且石井本人采用的别名也为“东乡大尉”，细菌部队基地里的宿舍区称“东乡村”，神社称“东乡神社”。
尽管石井四郎采取了极为严格的各种保密措施，但是，如果在像哈尔滨这样的大城市里实施大规模的人体细菌实验，显然有诸多不方便。石井四郎对此早有考虑，他选中了距哈尔滨市70公里以外的五常县背荫河镇。在石井四郎看来，此地不但交通方便而且又较为隐蔽，是作为大规模进行人体细菌实验场所的理想地址。
1933年秋，“加茂部队”派黑田大尉在黑龙江省五常县背荫河圈定了500多平方千米的地盘，在附近村屯强征近千名劳工和几百辆马车，日夜不停地修筑“兵营”。不到一年时间，便建成了约100栋的砖瓦房。“营区不仅有营舍，还有到背荫河火车站的专用线和飞机场。
残酷实验
1933年12月8日，关东军参谋远藤三郎视察这里时，说：“初具规模达600平方米的大兵营，令人产生一种好似要塞的印象。这虽然是他们努力的结果，20几万元的经费开支看来还是值得的。”而石井四郎本人也成为了有可他直接指挥的三百多人的细菌部队部队长。背荫河细菌实验场不仅中国人不许靠近，就连火车经过背荫河车站时，也要放下车窗帘，严禁旅客向车外探望。细菌实验场的日本人员很少外出，并都使用假名。即使与国内家属通信，也经过关东军的审查。背荫河细菌实验场完全成为了与世隔绝的军事要塞。背荫河细菌实验场因派了一个名叫中马的大尉管理“兵营”，不知底细的当地老百姓都称这座神秘的“大兵营”为“中马城”。
在“中马城”营区中央是监狱和人体实验的综合设施。监狱是按关押1000人的规模建造，通常关押着500——600人。牢房很小，“犯人”几乎总是戴着手铐和脚镣。每个被囚禁的人平均3天——5天内采血500cc左右,采血从未停止过。等囚徒衰弱不再具有“研究价值”便注色毒液或抢杀，然后进行解剖，最后送到焚尸炉焚烧灭迹，焚尸炉由化名细谷的石井四郎的二哥石井刚男负责。
石井四郎在背荫河进行的细菌人体实验重点，放在炭疽、鼻疽、鼠疫和霍乱三四种的接触传染病病菌上;此外，还利用人体进行毒气瓦斯、毒液实验;同时以人体为“材料”来进行冻伤实验。时任关东军参谋长的冈村宁次曾到背荫河视察，对冻伤实验尤为关注，因为关东军在中国东北镇压抗日武装及日后与苏军作战时，面临的严重问题便是严寒下冻伤威胁。视察后，冈村宁次给上司的报告书中写道：“冻伤最好的治疗方法是在37摄氏度的水中浸泡”，这一发现是“根据使用人体用各种方法经过反复的试验所获得的宝贵的数据而得出”。
“中马城”从1933年下半年复合设施还没完成，石井四郎便迫不及待地开始启动使用，1934年秋天，在中秋节因看守的日本兵警戒松懈，有30余名囚徒越狱，其中王子扬等12人侥幸逃TUO。由于这次越狱事件，使石井四郎感到将背荫河选择在抗联第三军的游击区域，是选错了地址。但为了减轻和推卸责任，石井四郎还是采取了暂时维持，看看请况再定的办法。但此后，抗联第三军赵尚志部曾几次袭击“中马城”及附近日军驻地，甚至发生了攻城未克事件。迫使石井不得不下定决心重新选择“基地”了。
扩建部队
1934年12月28日，关东军参谋远藤三郎和化名“东乡”的石井四郎，从长春出发，途经哈尔滨也没有停留，直奔背荫河的“中马城”。尽管两人对搬迁一事只字未提，但己下定决心废弃“中马城”了。石井四郎以背荫河细菌实验场发生“意外的火灾”为借口，向日本参谋本部提出迁移和扩大“加茂部队”的计划，很快便获批准。石井四郎将设备和机器装运至哈尔滨，把关押的人员秘密杀死，不久，“中马城”变成了废墟。
从背荫河“中马城”的细菌部队撤到了哈尔滨市的“加茂部队”本部，即宣化街与文庙街交叉口处，在日本陆军医院的南院，以日军医院为掩护，进行秘密的细菌研究活动。临街的大铁门经常关闭，由荷抢实弹的日本兵把守。里边一座二层的小黄楼，出入的都是一些日本军人和穿白大褂的日本人。这里既像是工厂，又像是医院。对外称“关东军防疫给水部”，加上这里确实生产滤水器这个半公开的事实，起到了掩盖罪恶真相的作用。 早在1931年，石井四郎便公开展示自己发明的滤水机，为了证明这种滤水机能把浊水、污水变成可饮用水，他多次在大规模的公开场合表演。1933年，昭和天皇视察陆军军医学校时，就曾观看过石井的演示。日本陆军海军参谋长也曾亲眼目睹过。为证实滤水机的功能，石井四郎甚至不惜当场亲自喝下经过滤水机的尿液。这种石井式滤水机后来在硫磺岛战役时发挥了很大的作用。
1945年日本投降后，松村知胜少将在回忆录中，对此曾有过活灵活现的描写：“被称为‘陆军的狂人军医’的石井，是一个坚毅果断，擅长宣传，有行动能力的军医。他从年轻的时候就行为古怪。昭和12年(1937年)前后，在军医学校当教官时，当时笔者正在参谋本部编成班任职，他经常不请自来，强烈要求给防疫给水方面预算和编制。为此,或当众添从人尿中提炼的盐，或饮用污水处理来的清水等，让参谋本部的大人物们目瞪口呆……总之是一位善于策划，富有实干能力的人……”防疫给水部成了日本疯狂从事细菌战的最好隐身衣，石井四郎以此为名，在中国东北及关各地，成立了23个以上的“防疫给水部”，即细菌部队及分支。
1935年初夏，关东军强占距哈尔滨市约20公里的平房地区，圈定6平方公里范围，并于1936年春动工，开始了营建细菌部队的设施。这是一项极为保密的巨大、综合新的工程，石井四郎在长春招募了4个日本建设株式会社承担，经时两年多才告完成，工地上使用中国劳工有时超过去1500人。
从细菌部队设施蓝图上看，区内至少建有76栋建筑，包括指挥中枢所在的二层楼，即由3栋、4栋、5栋、6栋组成的细菌研究中心的“四方楼”，占地约为15000平方米，内有各种细菌研究室、可供全年使用的冻伤实验室、监狱、解剖室等，还有处理人体和动物尸骸的3个焚尸炉。
1936年时，平房及附属设施的年度预算为“人力费300万日元，各支队20——30万日元，试验研究经费600万日元”。所以事实上石井四郎掌握着1000多万日元的预算经费，而在当时即使指挥几个师团的将官们如果得到如此一笔预算也会高兴不已。1938年石井四郎晋升为大佐。1938年6月30日，关东军司令部发布了第1539号命令，确定了平房“特别军事区”范围及规则，“特别军事区”总面积约120多平方公里。
731细菌部队的规模远远超过了德国法西斯“波兹南细菌研究院”，是世界上最大的杀人工厂。731细菌部队人员配备比其它培训部队高出一等，配有一名中将和四名少将，全员时为2600人。1939年末，关东军副参谋长远藤三郎少将来到平房，看到石井部队的“惊人规模”并与此1933年背荫河细菌实验场相比，不由发出“大有不胜今昔之感”。
石井四郎“上下班”往来于哈尔滨与平房之间，乘坐的是由专用司机驾驶的配有装甲板的高级轿车。他在哈尔滨市的住所是没收来的俄罗斯人的大邸宅，石井四郎和他的妻子及七个孩子在此过着奢侈豪华的生活。石井四郎的一个女儿石井春海在近40年后还留恋地回忆：“那实在是一座别致的住宅，就像从《飘》那样罗曼帝克的电影中搬下来的一样。”食人恶魔石井四郎在中国东北过着阔气放浪的生活，他仍旧表现出强烈的自我显示衣，贪婪地挪用“公款”，狂饮、逛艺机馆。
石井四郎千方百计地将日本几乎所有的细菌学者建立联系，使他们为这支细菌部队给予援助。而且，日本的大学也几乎都被动员起来了,除东京的陆军军医学校外，还有京都帝国大学、东京帝国大学、东京的传染病研究所等等。而且在中国东北与石井四郎共过事的那些部下，战后很多人都成了大学里的医学部部长、主任教授、大学校长，或是创造战后日本经济奇迹的各业界中技术骨干力量，担任着重要职务。如731细菌部队气新坏疽、炭疽班班长植村肇，战后任日本文部省教科书主任调查官;731部队的长友浪男，战后曾任日本北海道副知事 ;731部队防疫研究室的金子顺一，战后曾任日本防务厅主任研究员;1644部队防疫研究室的村田良介，曾任日本厚生省国立预防卫生研究所(现为国立传染病研究所)第六任副所长和第七任所长;731部队冻伤课课长吉村寿人，战后曾任日本京都府医科大学校长。据最新资料披露：共有79名日本细菌战犯在战后受到重用。
细菌战争
1939年5月，日军与苏、蒙的军队发生冲突，石井四郎视为进行细菌战试验的最好机会，他制定了具体实施方针政策案。6月份石井四郎在海拉尔储备了2000多枚载有疽、伤寒、霍乱菌的炮弹，准备发色到苏军阵地。到了7月份，关东军司令官植田谦吉为挽回日军的败局，终于答应了石井四郎所求。欣喜望外的石井四郎将731细菌部队当时仅有的400余名各种从事细菌战人员抽调一半，以“关东军防疫班”名义参战。并将22. 5公斤沙门菌和伤寒菌投入哈拉哈河中。在7、8月份，石井四郎又将早在6月份储存在海拉尔的细菌弹运至前线，发色到苏军的阵地上。1939年10月1日，731细菌部队作为卫生部队在日军军史上首次获得的战功奖状。由第6军司令官荻州立兵中将亲自颁发，石井的正面半身照片附着报纸选择新的报道了。石井个人功四级金鵄勋章。
731细菌部队的特设监狱可关押四五百人，该部队的细菌部队长川岛清供认：“每年有600名左右的‘特移处理’者被送到这里”。保守推测从1939年8月到1945年8月，大约超过3000人当作“实验材料”遇害。而这个数字不包括1939年8月以前被害者，及在安达、海拉尔等地被731细菌部队支队杀害者，还没计算在中国内地投撒细菌而被害的人数，战败前后释放带菌动物所造成的人员死亡数。
1940年7月，石井细菌部队组织了第一批远征队，在石井四郎亲自带领下，在浙江宁波上空投撒伤寒、霍乱、鼠疫菌;10月4日在衢州、22日在宁波飞撒细菌;11月和12月又在金华、上虞、汤溪等地投撒细菌。1941年春，石井细菌部队按照关东军司令部下达的的命令，派出第二批远征队，由第二部队长太田澄大佐带领，开始时为60人，后增加到100余人，其中有30名细菌学专家。远征队在常德一带撒布染有鼠疫菌的跳蚤，引发该地区鼠疫流行，死于鼠疫达400多人。4月21日又在新登县上空投下细菌，11月4日在常德市区投撒鼠疫菌，12月19日，日机在诸暨上空散布鼠疫菌。
1941年夏，为掩护日本的细菌战罪恶活动，日本细菌部队启用“满洲第731部队”的番号。用铁制的弹壳装细菌或跳蚤，常会因爆炸时发生高温而杀死细菌或跳蚤;低空投放，飞机又易被击落，石井四郎一直为此头痛。1942年春天一个深夜,石井四郎突然召集731部队高级军官开会，当众宣布想出了用陶土制造弹壳的方法，这种陶土制的弹壳，被称之为“石井式瓷制细菌弹”。
1942年8月1日，石井四郎因贪污实验经费被撤职降级，调到南京任第一军的军医部长。然而，石井四郎后来对此解释为：如果他继续从事研究，他的仕途也就走到头了，陆军军医最高军衔只能为了获得更高的官衔，他需要有实战的经历。
1942年5月，中日展开了浙赣会战，到8月战斗结束。日军在作战中俘虏了数千名中国军人，俘虏收容所分别设在玉山等两处，每处关押1500余名。8月下旬，石井四郎从南京飞抵衢县，他首先想到是要利用这3000余名的俘虏，来传播剧烈的传染病。于是在给俘虏的3000多个馒头中注入肠伤寒菌、副伤寒菌，在饼干上也涂上了这些细菌。然后将这些馒头、饼干给又累又饿的俘虏食用，最后释放了这3000余名俘虏。数日后，在日军迅速撤离后的该地区，传染病迅猛地蔓延起来。在第731部队的基地发表了成果报告，其中记载：“派遣队在现地调查的结果，传染病突发并流行中最有效果的是副伤寒菌。”
1942年9月，石井四郎到山西，大肆布置细菌战，山西的日军曾多次使用细菌武器。1944年夏，石井四郎奉命离开山西回国。1945年3月，石井四郎奉命重返731细菌部队，再次被任命为部队长。石井四郎马上利用职权，把曾调查自己贪污案件的、曾任731部队总务部长的中留金藏中佐，调到太平洋战场，使其不到一个月就丧了命。
日本战败前夕，石井四郎严令督促全部队拼命突击生产，石井建议将731细菌部队储存的细菌和数吨含毒菌的跳蚤、老鼠放撒到苏联各都市，然后，致人于死命的传染病就会迅速蔓延全欧洲,但石井的意见未被上司采纳。日本投降，石井四郎扔下部属，抢先逃命回国。而731细菌部队奉照石井逃离前的杀人灭迹的指令，除炸毁“四方楼”以销毁罪证外，还杀害了所有供实验用的被关押的人。而隐居在千叶老家的石井四郎由于害怕成为战犯，他连假葬礼都准备好了，他的助手内藤良一陆军中佐与美军谈判，以提供人体实验和细菌研究资料为条件，换取了美国对731部队有关人员免除战争责任，逃TUO了审判。以后居住在东京新宿区，英国的一名大学讲师宣称他曾经去马里兰州和美军探讨细菌战的可能新，但是日本记录表明他一直在东京靠经营诊所而默默无闻的活着。他改信了基督教，经常免费的给周围的孩子治病。常常说：作为医生救助生命真的很快乐。1959年10月9日，石井四郎因患喉癌病死。
