研究小组在当地报纸上征集志愿者参与监狱生活的研究，为期两周，志愿者每天能得到15美元的报酬(相当于今天的75美元)。有70名应征者被招到斯坦福大学面试，接受一系列测试。他们绝大多数是在斯坦福大学和加州伯克莱大学参加夏季课程的学生。其中24名被认为非常健康、正常的人被选中。24名学生通过了测试，学生以随机的方式被分成了两组角色：其中9名学生担任监狱中的“囚犯”和9名学生则以三人一组轮班担任“看守”的角色，余下6名则作为实验候补。
志愿者们都说他们更愿意饰演囚犯，部分是因为他们无法想像自己毕业后会去做看守，但他们可以想像自己是在坐牢，并以为可以从这一经历中学到一些东西。志愿者们还被告知，如果被分派去饰演囚犯，他们可能会被剥夺公民权利，并且只能得到最低限度的饮食和医学护理。那些将饰演囚犯的人被告知在某个周日等在家里。
在那一天，参与者由警察逮捕，被铐上手铐，戴上牛皮纸头套，而执行逮捕行为的是同意与津巴多合作进行实验的加州警方，面对呼啸而去的警方，不明就里的邻里大为惊讶;而担任“看守”角色的学生则是穿着警服，戴上黑色的墨镜以增加权威感，在囚犯进牢时，按照监狱的正式程序对犯人进行裸体的搜身，他们拥有一切真实狱警所拥有的权力。一切如此真实，为的是让双方可以真正进入预置的角色。
为了实验更真实地模拟现实，囚犯将先脱掉衣服洒上除虱药粉，穿上类似于女人的连衣裙一样的白色袍，不能穿底裤，头戴丝袜，为每个人编号来代替名字，并且在右脚脚踝出有铰链。狱警则穿制服，有警棒，带不反光的墨镜来防止目光接触。由于没有钟表也没有窗户，所以囚犯们并不知道时间。狱警可随自己喜好进行惩罚。
第一天，大家还相安无事，但“囚犯”第二天便发起了一场暴动，撕掉囚服上的编号、拒绝服从命令、取笑看守。津巴多要求看守们采取措施控制住局面，他们照着做了。他们采取的措施包括强迫囚犯做俯卧撑、脱光他们的衣服，拿走他们的饭菜、枕头、毯子和床、让他们空着手清洗马桶，关禁闭。最后局面完全失控。
实验一步步地超过了预设的界限，通向危险和造成心理伤害的情形。三分之一的看守被评价为显示出“真正的”虐待狂倾向，而许多囚犯在情感上受到创伤，有2人不得不提前退出实验。由于监狱的特殊环境使得狱警的行为更加暴力，到后期有些严重的甚至以惩罚犯人为乐。最后，津巴多因为这个课题中日益泛滥的反社会行为受到警告，在第六天，当津巴多的同事克里斯丁(后来成为他的妻子)受邀来到实验场所进行观察，克里斯丁对于这项实验的道德进行了质疑，津巴多提前终止了整个实验。这种人的性格的变化被他称为“路西法效应”：上帝最宠爱的天使路西法后来堕落成了撒旦。这个实验后来被拍成电影《死亡实验》《叛狱风云》
个人的性情并不像我们想像得那般重要，善恶之间并非不可逾越，环境的压力会让好人做出可怕的事情。“在实验开始的时候，两组人之间没有任何区别，不到两个星期之后，他们之间已经变得没有共同之处了。”尤其显著的是，囚犯们怀疑分组并不是随机的，他们认为看守的个子比他们高。(其实两组人的平均身高是一样的。)事实上实验只进行了6天，作为囚犯的参与者称之为可怕的梦魇，也对他们造成了不同程度上的伤害，这个实验也导致了关于监狱虐待一条新法律的诞生。
津巴多试图用他的实验解释很多问题，包括飞行事故、人在面对恶行时的无动于衷、护士对病人的不当处置以及自杀式袭击者和恐怖分子的行为。由于对自己角色的认识，护士会过度服从医生的安排，哪怕明知医生开出的剂量远远大于规定的剂量;有四分之一的飞行事故的起因都是由于副机长过于服从机长的错误判断。
津巴多虽然强调人们容易受到环境的影响而作恶，但他乐观地指出，按照他的“十步法”，人们同样能够顶住压力，英勇地违抗“路西法效应”。先是承认自己的错误，最后是拒绝为了所谓的人身安全而牺牲自由，相信自己能够反对任何不公正的制度。他举的道德英雄包括抵抗麦卡锡主义、种族隔离、反对越战的人。
有一个问题是，当津巴多说好人变成了坏人时，那些“坏人”并不认为自己成了坏人，他们要么认为受害者罪有应得，要么认为自己只是采用了恶的手段来实现其正当的目的，用目的的合理性为自己采取的手段辩护——虐囚的士兵是为了获取反恐所需的情报，恐怖分子是为了民族解放，在他们的同仁眼里他们也是道德英雄。这根本上是不同的善之间的冲突，而不是善和恶之间的冲突，已经超出了心理学的范畴。