Исследование было оплачено военно-морским флотом США для того, чтобы объяснить конфликты в его исправительных учреждениях и в морской пехоте.

Участников набрали по объявлению в газете, и им предлагались 15 долларов в день (с учётом инфляции сумма эквивалентна 120 долларам в 2012 году) за две недели участия в «симуляции тюрьмы». Из 70 человек, отозвавшихся на объявление, Зимбардо и его команда выбрали 24, которых они сочли наиболее здоровыми и психологически устойчивыми. Эти участники были преимущественно белыми мужчинами, принадлежащими к среднему классу. Все они были студентами колледжей.

Группу, состоящую из двадцати четырех молодых мужчин, поделили случайным образом на «заключенных» и «охранников». Заключенным потом казалось, что в охранники берут за высокий рост, но на самом деле их честно набрали по жребию, подбрасывая монету, и между двумя группами не было никакой объективной разницы в физических данных.

Условная тюрьма была устроена на базе кафедры психологии Стэнфорда. Лаборант-старшекурсник был назначен «надзирателем», а сам Зимбардо — управляющим.

Зимбардо создал для участников ряд специфических условий, которые должны были способствовать дезориентации, потере чувства реальности и своей самоидентификации.

Охранникам выдали деревянные дубинки и униформы цвета хаки военного образца, которые они сами выбрали в магазине. Также им дали зеркальные солнечные очки, за которыми не было видно глаз. В отличие от заключенных, они должны были работать по сменам и возвращаться домой в выходные, хотя впоследствии многие участвовали в неоплаченных сверхурочных дежурствах.

Заключенные должны были одеваться только в нарочно плохо подобранные миткалевые халаты без нижнего белья и резиновые шлепанцы. Зимбардо утверждал, что такая одежда заставит их принять «непривычную осанку тела» и они будут испытывать дискомфорт, что будет способствовать их дезориентации. Их называли только по номерам вместо имен. Эти номера были пришиты на их униформы, и от заключенных требовали надевать туго сидящие колготки на голову, чтобы изобразить бритые головы новобранцев, проходящих начальную военную подготовку. Вдобавок они носили маленькую цепочку на своих лодыжках как постоянное напоминание о своём заключении и угнетенности.

За день до эксперимента охранники посетили короткое установочное заседание, но им не дали никаких указаний, кроме недопустимости какого-либо физического насилия. Им сказали, что обязанность состоит в том, чтобы совершать обход тюрьмы, который они могут совершать так, как захотят.

Зимбардо на заседании сделал следующее заявление для охранников:

Участникам, которые были выбраны для того, чтобы изображать заключенных, было сказано ждать дома, пока их не «призовут» для эксперимента. Безо всякого предупреждения их «обвинили» в вооруженном ограблении, и они были арестованы полицейским департаментом Пало Альто, который участвовал в этой стадии эксперимента.

Заключенные прошли полную процедуру полицейского осмотра, включая снятие отпечатков пальцев, фотографирование и зачитывание прав. Их привезли в условную тюрьму, где произвели их осмотр, приказав раздеться догола, «очистили от вшей» и присвоили номера.

Эксперимент быстро вышел из-под контроля. Заключенные испытывали садистское и оскорбительное обращение со стороны охранников, и к концу у многих из них наблюдалось сильное эмоциональное расстройство.

После сравнительно спокойного первого дня на второй день вспыхнул бунт. Охранники добровольно вышли на сверхурочную работу и без руководства со стороны исследователей подавляли мятеж, при этом нападали на заключенных с огнетушителями. После этого инцидента охранники пытались разделять заключенных и стравливать их друг с другом, выбрав «хороший» и «плохой» корпусы, и заставляли заключенных думать, что в их рядах есть «информаторы». Эти меры возымели значительный эффект, и в дальнейшем возмущений крупного масштаба не происходило. Согласно консультантам Зимбардо — бывшим заключенным, эта тактика была подобна используемой в настоящих американских тюрьмах.

Подсчеты заключенных, которые изначально были задуманы для того, чтобы помочь им привыкнуть к идентификационным номерам, превратились в часовые испытания, в ходе которых охранники изводили заключенных и подвергали физическим наказаниям, в частности заставляли подолгу совершать физические упражнения.

Тюрьма быстро стала грязной и мрачной. Право помыться стало привилегией, в которой могли отказать и часто отказывали. Некоторых заключенных заставляли чистить туалеты голыми руками. Из «плохой» камеры убрали матрацы, и заключенным пришлось спать на непокрытом бетонном полу. В наказание часто отказывали в еде. Сам Зимбардо говорит о своей растущей погруженности в эксперимент, которым он руководил и в котором активно участвовал. На четвертый день, услышав о заговоре с целью побега, он и охранники попытались целиком перенести эксперимент в настоящий неиспользуемый тюремный корпус в местной полиции, как в более «надежный». Полицейский департамент ему отказал, ссылаясь на соображения безопасности, и, как говорит Зимбардо, он был зол и раздосадован из-за отсутствия сотрудничества между его и полицейской системой исполнения наказаний.

В ходе эксперимента несколько охранников все больше и больше превращались в садистов — особенно ночью, когда им казалось, что видеокамеры выключены. Экспериментаторы утверждали, что примерно каждый третий охранник показывает настоящие садистские наклонности. Многие охранники расстроились, когда эксперимент был прерван раньше времени.

Впоследствии заключенным предложили «под честное слово» выйти из тюрьмы, если они откажутся от оплаты, большинство согласились на это. Зимбардо использует этот факт, чтобы показать, насколько сильно участники вжились в роль. Но заключенным потом отказали, и никто не покинул эксперимент.

У одного из участников развилась психосоматическая сыпь по всему телу, когда он узнал, что его прошение о выходе под честное слово было отвергнуто (Зимбардо его отверг, потому что думал, что тот пытается сжульничать и симулирует болезнь). Спутанное мышление и слезы стали обычным делом для заключенных. Двое из них испытали такой сильный шок, что их вывели из эксперимента и заменили.

Один из заключенных, пришедших на замену, № 416, пришел в ужас от обращения охранников и объявил голодовку. Его на три часа заперли в тесном чулане для одиночного заключения. В это время охранники заставляли его держать в руках сосиски, которые он отказывался есть. Другие заключенные видели в нем хулигана. Чтобы сыграть на этих чувствах, охранники предложили другим заключенным выбор: или они откажутся от одеял, или № 416 проведет в одиночном заключении всю ночь. Заключенные предпочли спать под одеялами. Позже Зимбардо вмешался и выпустил № 416.

Зимбардо решил прекратить эксперимент раньше времени, когда Кристина Маслак, аспирантка и одновременно его невеста, не знакомая прежде с экспериментом, выразила протест против устрашающих условий тюрьмы после того, как она пришла туда провести беседы. Зимбардо упоминает, что из всех пятидесяти свидетелей эксперимента только она поставила вопрос о его этичности. Хотя эксперимент был рассчитан на две недели, через шесть дней он был прекращен.