Se reclutaron voluntarios que desempeñarían los roles de guardias y prisioneros en una prisión ficticia.
De los setenta candidatos que respondieron al anuncio, Zimbardo y su equipo seleccionaron a los veinticuatro que estimaron más saludables y estables psicológicamente, según la evaluación psicológica realizada a los candidatos previamente.
El grupo de veinticuatro jóvenes fue dividido aleatoriamente en dos mitades, los «prisioneros» y los «guardias».
Más tarde, los prisioneros dirían que los guardias habían sido elegidos por tener la complexión física más robusta, aunque en realidad se les asignó el papel mediante el lanzamiento de una moneda y no había diferencias objetivas de estatura o complexión entre los dos grupos.
A diferencia de los prisioneros, los guardias trabajarían en turnos y volverían a casa durante las horas libres, aunque durante el experimento muchos se prestaron voluntarios para hacer horas extra sin paga adicional.
Los «prisioneros» debían vestir solo batas de muselina (sin calzoncillos) y sandalias con tacones de goma, que Zimbardo escogió para forzarlos a adoptar «posturas corporales no familiares» y contribuir a su incomodidad para provocar la desorientación.
Tras este proceso fueron trasladados a la prisión ficticia, donde fueron inspeccionados desnudos, «despiojados» y se les dieron sus nuevas identidades.
Los guardias se prestaron como voluntarios para hacer horas extras y disolver la revuelta, atacando a los prisioneros con extintores sin la supervisión directa del equipo investigador.
Los investigadores vieron a aproximadamente un tercio de los guardias mostrando tendencias sádicas «genuinas».
Zimbardo afirma que no tenían ninguna razón para seguir participando si eran capaces de rechazar su compensación material para abandonar la prisión.
Dos de ellos sufrieron traumas tan severos que se los retiró del experimento y fueron reemplazados.
El resto de los prisioneros lo vieron como un alborotador que buscaba causar problemas.
Zimbardo decidió terminar el experimento prematuramente cuando Christina Maslach, una estudiante de posgrado no familiarizada con el experimento, objetó que la «prisión» mostraba unas pésimas condiciones y se sobrepasaba de lo moralmente correcto, tras ser introducida para realizar entrevistas.
El experimento fue ampliamente criticado por su falta de ética y considerado en los límites del método científico.
Los críticos incluyen a Erich Fromm, que cuestionó si se podrían generalizar los resultados del experimento.
Como fue un trabajo de campo, fue imposible llevar a cabo los controles científicos tradicionales.
Zimbardo no fue un mero observador neutral, sino que controló la dirección del experimento como «superintendente» de la prisión.
Y dado que los veinticuatro interactuaban en un mismo grupo, tal vez fuera más correcto considerar el tamaño de la muestra como 1.