Участникам эксперимент был представлен как исследование влияния боли на память. В опыте участвовали экспериментатор, испытуемый и актёр, игравший роль другого испытуемого. Заявлялось, что один из участников («ученик») должен заучивать пары слов из длинного списка, пока не запомнит каждую пару, а другой («учитель») — проверять память первого и наказывать его за каждую ошибку всё более сильным электрическим разрядом.

В начале эксперимента роли учителя и ученика распределялись между испытуемым и подсадным актёром «по жребию» с помощью сложенных листов бумаги со словами «учитель» и «ученик», причём всё было подстроено так, чтобы испытуемому всегда доставалась роль учителя. После этого «ученика» демонстративно привязывали к креслу с электродами. «Учитель» получал один демонстрационный удар током, после чего был уверен в том, что всё происходит по-настоящему.

«Учитель» уходил в другую комнату и садился за стол перед прибором-генератором. Генератор представлял собой ящик, на лицевой панели которого были размещены 30 переключателей от 15 до 450 В, с шагом в 15 В. Экспериментатор пояснял «учителю», что при нажатии на каждый из переключателей через тело ученика проходит электрический ток соответствующего напряжения, при отпускании переключателя действие тока прекращается. Каждый нажатый переключатель после отпускания остаётся в нижнем положении, чтобы «учитель» не забывал, какой выключатель был уже нажат, а какой нет. Над каждым переключателем написано соответствующее ему напряжение, кроме того, группы выключателей подписаны поясняющими фразами: «Слабый удар», «Умеренный удар», «Сильный удар», «Очень сильный удар», «Интенсивный удар», «Крайне интенсивный удар», «Опасно: труднопереносимый удар». Панель прибора изготовлена в высоком качестве, прибор производил серьёзное впечатление реального, не давая повода сомневаться в подлинности эксперимента. 

После инструктажа начинался эксперимент, и «ученик» должен был выбрать правильный вариант и нажать соответствующую ему одну из четырёх кнопок. В случае ошибки «учитель» сообщал, что ответ неверен и удар каким напряжением получит «ученик», нажимал на кнопку, наказывая «ученика» ударом тока, и сообщал правильный ответ. Начав с 15 В, «учитель» с каждой ошибкой увеличивал напряжение вплоть до 450 В. После трёхкратного использования последнего переключателя эксперимент прекращался.

«Ученик» находился в соседнем с «учителем», звукоизолированном помещении. «Учитель» не слышал возгласов «ученика», но на 300 вольтах тот начинал отчётливо для «учителя» стучать в стену. После этого ученик переставал выдавать ответы при помощи табло. Экспериментатор требовал трактовать отсутствие ответа в течение 5—10 секунд как неверный ответ и назначать следующий удар. На следующем ударе (315 В) также раздавались стуки в стену без ответа на табло, в дальнейшем от ученика не подавалось ни ответов, ни звуков.

В одной серии опытов основного варианта эксперимента 26 испытуемых из 40 (65 %), вместо того, чтобы сжалиться над жертвой, продолжали увеличивать напряжение (до 450 В) до тех пор, пока исследователь не отдавал распоряжение закончить эксперимент. Лишь пятеро испытуемых (12,5 %) остановились на напряжении в 300 В, когда от жертвы появились первые признаки недовольства (стук в стену) и ответы перестали поступать. Ещё четверо (10 %) остановились на напряжении 315 В, когда жертва второй раз стучала в стену, не давая ответа. Двое (5 %) отказались продолжать на уровне 330 В, когда от жертвы перестали поступать как ответы, так и стуки. По одному человеку — на трёх следующих уровнях (345, 360 и 375 В). Оставшиеся 26 из 40 дошли до конца шкалы.