萃，该校校长对他寄予极大的希望，后来把自己的女儿许配给他。1920年底，大学毕业的石井正式到日军服役，至1924年8月时，职务为日本第一陆军医院军医大尉。同年，他再度考入京都帝大医学部读研究生，主攻细菌学、血清学和防疫学。1926年4月，石井研究生毕业回到陆军医院，一边工作，一边撰写关于防疫学的博士论文。转年，石井通过论文答辩，获得医学博士学位。
1930年8月，石井晋升为军医少佐，并任陆军军医学校教官。他从这时起，在教学之余，开始着手细菌的毒性研究，还在军医学校同事、军界上层人物中间进行鼓动，说从战略作战的观点来看，细菌武器乃是一种很有利、很经济的进攻武器，因此，日本必须准备细菌战，并极力要求加紧研究细菌武器。石井的主张，得到了日本陆军省一些高级军官的支持。
1932年8月，石井的研究所在陆军军医学校内开张。一年后，在石井的积极活动下，陆军省首脑批准拨20万日元将其研究所移至中国东北。因为在日本国内，石井的研究所不可能拿天皇的子民当动物来实验，可见彼此心照不宣的石井和陆军首脑，一开始就怀有歹毒、凶残之用心。
该所迁来东北后，受关东军司令部统辖，专门负责作战、情报等工作的副参谋长冈村宁次，是石井的最直接上司。当时，石井仅是个军医少佐，而冈村宁次是陆军少将，他对冈村的话言听计从，每月总要从哈尔滨跑到长春关东军司令部一二次，向冈村汇报工作。干过多年谍报工作的冈村，得悉石井一伙穿着配有日军医务技术军官标志的服装，进进出出于该所内外，深恐附近中国人侦知这是个特殊机关，便指令石井“使用步兵少位军装，其部下军医亦被命令使用相当官衔的步兵军装”，以掩人耳目。
石井机关初期的经费多半是由关东军司令部拨给的，而直接负责办理批复、转拨手续的就是冈村宁次。平时，冈村对石井机关的“专家”们也处处给予关照。一次，两名军医大尉在细菌实验中感染死亡，“我记得在中央的谅解下，我曾虚报战况为两名死者申请了特殊功勋”。这次冈村再次来东北，他的司令部设在哈尔滨，离石井机关相距不远，两人再度相逢，又干了不少伤天害理的勾当。石井机关与哈尔滨日军关押被捕抗日游击战士的看守所为邻，第2师团每次讨伐后都将一些被俘游击战士送进该看守所，再由石井的部下从中挑选出一些人来接受活人实验。这个看守所，实际上是石井机关“实验品”来源的一个中转站。
一个当时在这里工作过的“医学专家”，战后供述了一次用活人进行伤寒病传染实验的情况。他们预先准备了亚公升投有伤寒病菌的甜水，然后把它用普通水冲淡，分给大约50个中国“犯人”喝了，结果，经过一周的痛苦折磨后，这些人全部死亡。为了研究治疗，有的人被接二连三地进行实验。先对受传染的人进行治疗，身体稍稍复原之后，再次进行实验，直至死亡为止。
最残忍、最惨无人道的，是用活人进行解剖实验。一次，有个新来的摄影班队员目睹了实验现场。手术台上，对受实验者施行麻醉手术后，执刀者问道：“感觉怎么样？”回答说：“困了，想睡觉……”很快就不作声了。
手术开始了。手术刀从喉咙处一条线割下来，从左边绕过肚脐，一气割到下身。受害者浑身是粘乎乎的鲜血，露出了白色的脂肪。执刀者在腹腔上打开一个小孔，然后把手术刀插进去割，里面的内脏器官被分别摘取。受害者就这样被活生生地解剖了！
针对严寒条件下作战的需要，石井机关还重点进行了冰冻活人的实验。石井一伙在做这种实验时，每次用5至10人不等。“犯人们”被看押在严寒的室外，强迫他们把手或脚放在水桶里冰冻若干时间，直到被冻伤为止，然后再带回室内迅速浸人温度不同的热水中，以获取实验数据。而进行这种实验的结果，受实验者多半是四肢腐烂，最终死亡或成终身残废。冈村宁次对冻伤实验尤为感兴趣，他供认，“特别对于治疗冻伤，石井得出了用37度的温水浸泡患处是最好方法的结论。这些都是根据使用人体进行种种宝贵试验，或让他活，或让他死，或让他再生等等所取得的成果”。并且，他还在率领部队于野外作战、宿营时，利用石井的“研究成果”，抢救和治愈被冻伤的法西斯官兵。
在冈村等关东军各实力人物的直接支持、协助下，石井机关的规模越来越膨胀，“在哈尔滨南郊，建设了相当漂亮的房舍”；“事业”也越来越红火。冈村承认，“由于石井使用了真正的人代替上拨鼠等动物做试验，取得成效乃是理所当然的。我原来对于他顺利地取得医学成果的具体内容并不太清楚，但是在停战以后，据他亲自向我透露，仅获有专利权的成果就达200多件以上”。毫无疑问，这些都是用数千名无辜中国人、朝鲜人、苏联人的生命换取来的。
尽管冈村在论及他与石井的关系时，常遮遮掩掩、半吞半吐，其实，物以类聚，两人的私交一直不错。1942年7月，石井四郎因私吞大笔公款，并在军需商人承包机关工程时接受贿赂，