Josef Mengele w obozie Auschwitz przeprowadzał także liczne eksperymenty pseudomedyczne. Jego głównym celem było znalezienie sposobu na genetyczne warunkowanie cech aryjskich u dzieci i zwiększenie liczby ciąż mnogich. Dlatego też obiektem jego zainteresowań stały się bliźnięta, na których przeprowadzał wszelkie możliwe badania medyczne. Testom poddał ok. 1500 bliźniąt, z których przeżyło mniej niż 100. Testy obejmowały równoczesne zabijanie, aby porównać narządy wewnętrzne bliźniąt. Mengele pracował także nad opracowaniem metody zmiany koloru oczu oraz nad chorobą obecną w obozie cygańskim (romskim) w Birkenau – tzw. zgorzelą policzka (inaczej noma, rak wodny). Interesowały go również różne anomalie biologiczne, np. karłowatość.
Do swoich eksperymentów ofiary wybierał spośród tysięcy więźniów żydowskich i romskich, przywożonych na rampę w Birkenau. Bliźnięta i inne ofiary jego eksperymentów były przetrzymywane w stosunkowo dobrych warunkach, jednak przeprowadzane eksperymenty były bardzo okrutne i ciężkie do przeżycia dla pacjentów. Badania rozpoczynały dokładne pomiary czaszek, uszu, nosów i innych cech zewnętrznych badanych dzieci. Potem były one zabierane do szpitala męskiego, gdzie dokonywano badań anatomicznych. Następnie bliźnięta i karłów poddawano okrutnym badaniom bez znieczulenia.