1 stycznia 1937 dzięki rekomendacji prof. Mollisona, został asystentem w Instytucie Dziedziczności, Biologii i Czystości Rasowej Trzeciej Rzeszy na Uniwersytecie we Frankfurcie nad Menem. Dołączył do zespołu badawczego genetyka prof. Otmara von Verschuera. Jednym z tematów jego badań były bliźnięta. Razem z profesorem pisali raporty dla specjalnych trybunałów sądzących, na podstawie ustaw norymberskich, Żydów przyłapanych na utrzymywaniu intymnych stosunków z Aryjkami (Rassenschande). W maju 1937 Josef Mengele wstąpił do NSDAP (nr 5574974). Rok później po dokładnej kontroli drzewa genealogicznego został przyjęty do SS. W lipcu 1938 Mengele otrzymał na Uniwersytecie we Frankfurcie nad Menem dyplom doktora nauk medycznych. Życie prywatne 28 lipca 1939 poślubił Irenę Schönbein. Centralne Biuro do spraw Ras i Przesiedleń zakwestionowało jej czystość rasową – chodziło o jednego z jej dziadków, który mógł pochodzić z nieprawego łoża. Drobiazgowe śledztwo nie dało żadnych rezultatów, jednak przez to małżeństwo Mengelego nie zostało uznane za całkowicie czyste rasowo. Jedyny syn Rolf urodził się w 1944 r. W 1958 roku sprowadził z Günzburga wdowę po zmarłym bracie i 28 lipca wziął z nią ślub w Urugwaju.