記憶力超強，在同班同學當中出類拔萃，但是他的性格有人反映魯莽、粗暴，從小就暴露出殘忍的一面。
1920年12月，石井四郎以優異成績在京都帝國大學醫學部畢業，當時28歲的石井四郎雄心勃勃，立志成為一名陸軍軍醫，為大日本帝國和天皇效勞。次年初他加入近衛步兵第三聯隊，作為見習軍官開始接受軍訓。5個月後他被任命軍醫中尉，正式分配到近衛師團。
在近衛師團呆了兩年，然後調到了東京近衛衛戍醫院。在東京期間，他惡名狼藉充分顯露出反叛的一面。他是一名色鬼、夜遊神、酒鬼，白天在醫院上班貌似文明人，夜晚則出入酒館、藝伎館整夜狂歡，他十分偏好十五六歲的藝妓。石井四郎家中富有，大把大把的揮霍，從來不缺錢花。
1924年4月，石井四郎以代培學員身份再入京都帝大，在研究生學院研究細菌學、血清學、防疫學、病理學和預防醫學。石井四郎作為陸軍部一名幹才、一名職業軍人。此後一直平步青雲，並在同年8月晉升陸軍大尉。
石井四郎在京都帝國大學研究生學院學習期間，充分展示了他的另一才能，那就是迎合和巴結上峰，並且獲得很多教授的欣賞。平時他厚顏經常拜訪校長，並很快獲得校長的賞識，而且還迎娶了校長的女兒，由此為他的仕途開啟了一扇門。
石井四郎的鑽營，也曾獲得有些正義感教授的反感。一位匿名的教授曾這樣評價他：石井非常聰明而又勤奮，他不是一位學者型人物，他是一位野心勃勃、喜歡幹大事業的｛意為說大話的｝人。他熱衷於取得成績藉以提高自己的地位，態度非常粗魯、自大、並對下屬十分傲慢。
1927年，石井四郎從京都研究生學院畢業，再次進入京都衛戍醫院。此後他在刊物上發表了一系列研究論文，很快就有了名氣。促使石井四郎下定決心從事罪惡的細菌戰，是源自他發現了一位二等軍醫撰寫的有關細菌戰的報告書，同時引起了他強烈的共鳴。
石井四郎十分清楚，1925年在日內瓦召開世界裁軍大會，會上明文規定：化學戰和生物戰為非法，可是細菌戰所帶來的殺人威力深深的吸引了石井四郎。這種低成本大範圍的殺人武器，促使石井四郎不斷前往東京參謀本部，遊說高層進行細菌戰研究。
28年至30年，石井四郎對外宣稱自費出訪，實際上是陸軍部派遣。長達兩年時間他跑遍了歐洲幾十個國家，尤其是重點考察了德國秘密研製細菌武器的情況。透過一番考察由此更加堅定了研製細菌武器的迫切願望。考察回來後建議：我認為，研究細菌武器已經刻不容緩，延遲一日，畢將使日本遺恨無窮！
石井四郎回國四個月後，石井四郎被任命為陸軍軍醫學校教官，同時晉升為少佐。這期間他繼續遊說細菌戰的重要性，而所持的理由竟然是：“細菌戰無疑具有特殊的可能性，否則聯合國也不會禁止！”他的努力終於有了結果，並得到高層的注意。
有一個人物給予了他巨大支援，那就是時任陸軍軍醫學校校長的小泉親彥。此人在日本號稱“化學戰之父！”當時小泉親彥是日本知名的軍事科學家，可以說是日本軍事醫學的開拓者。在他的鼎立支援下，最初的防疫研究所在東京的陸軍軍醫學校成立，很快規模開始擴大，以石井四郎為首的“食人魔窟”的雛形開始顯現。
細菌研究必須經過大量實驗，那麼實驗的物件必須是活生生的人，苦於日本境內“材料”很難尋找，同時也是為了保密。九一八後第二年，石井四郎把眼光瞄向滿洲，原因是滿洲能提供大量活人進行試驗。還有另外一個原因，最初的細菌戰針對蘇聯，因此蘇聯遠東地區被列入細菌作戰區域。
很快石井四郎的計劃被批准，為了保密石井四郎在家鄉招募了大批子弟，這些忠於自己的人成為骨幹力量。最初石井四郎選址距離哈爾濱70公里的背蔭河，在幾個月時間便建起了大片房舍，並展開活人實驗。
當地老百姓僅知道這件魔窟是一座秘密監獄，大家稱呼為中馬城。不久中馬城爆發了越獄事件，被關押的犯人跑了出來。這一驚非同小可，由於這裡是抗聯游擊區，游擊隊頻繁騷擾，甚至有幾次幾股較大的抗聯隊伍發動進攻。
石井四郎認為這個地方太危險，已經不適合進行秘密試驗。為此他力主搬遷，獲得批准後於35年，從新選址哈爾濱城西北方向的那片樹林，並展開大範圍的基礎建設。一年後整體搬遷，同時以關東軍防疫給水研究所的招牌掩人耳目。
至於石井四郎為什麼如後世沒有把總部選擇在距離哈爾濱20