日本在1918年第一次世界大战时，开始研究细菌战。1925年，日内瓦国际会议将禁止使用细菌武器列为国际公约基本原则之一。但日本拒绝在《关于禁用毒气或类似毒品及细菌方法作战议定书》上签字。
1927年，日本制定了对外扩张的计划，其基本战略目标，如田中义一在向天皇的奏折中所称：“欲征服中国，必先征服满蒙；欲征服世界，必先征服中国。”面对缺乏五金资源和兵力不足等困难，京都卫戍医院军医石井四郎大尉提出“缺乏资源的日本要想取胜，只能依靠细菌战”的谋略。1928年，石井四郎被派往欧美等地考察细菌战问题，1930年春归国后提出要在“无人区”建立实验中心。当年，京都建立细菌战研究中心，对外称“防疫研究室”，由石并四郎领导。1931年扩展为“防疫研究所”，成为日本进行细菌战研究的中心。
1933年，日本建立“石井部队”，后改为“731”细菌部队。1939年又建立了3个大规模的细菌实验部队，即“北支（甲）”1855细菌部队、“荣”字1644细菌部队、“波”字8604细菌部队。另外，1942年日本还在新加坡和马来西亚建立了“冈”字9420细菌部队。
其中，最臭名昭著的是“731”细菌部队与“北支（甲）”1855细菌部队。“731”细菌部队规模最大时，由8个部3000人组成。它不仅有一支科研队伍，容纳了日本一大批细菌和传染病专家，而且配备了当时世界上最先进、最完善的细菌培育设备。生产部所有的设备运作起来，在1个月内可以造出鼠疫菌300公斤，伤寒菌八九百公斤，炭疸热菌700公斤，霍乱菌1吨。还有配制细菌的育鼠所，专门用来繁殖鼠疫跳蚤。每两三个月为一生产周期，每周期能繁殖出45公斤带有鼠疫的跳蚤。从1937年部队尚在建设中开始，到1945年日本战败为止，石井和他的部下进行了几乎所有令人谈之色变的烈性传染病细菌（包括鼠疫、霍乱、炭疽、赤痢、伤寒、兔热病、气性坏疽、传染性黄疸病、猩红热、波状热、森林扁虱脑炎、流行性出血热、百日咳、性病、结核病等等）的研究和实验。
为了研究病菌，“731”细菌部队不仅自己培养了无数的老鼠、跳蚤及猫、狗鸡等动物，而且还向中国人民大肆征收，规定每家每户必须缴纳一定数量的老鼠、跳蚤等。例如，1942年7月，“日军在雁北一带，强迫人民缴纳虱子、老鼠、臭虫，喂养病菌，然后向抗日根据地散发。4月初，即屡令敌占区老百姓缴纳胡须、鸡毛、老鼠。胡须不论老少每人交2两，鸡毛每人交2两，老鼠每人交2只。不能交出者，须用白银代替。伪广灵县政府下令各村每户交虱子、臭虫各5000，浑源、应县各伪县府亦有同样命令”。
日本侵华期间，石井四郎为了缩短研制细菌武器的时间，及早用于战场，采用所谓“走捷径”的方式，即“以人当作动物来做试验”，进行活杀解剖，甚至不用麻醉剂而直接解剖。这种惨绝人寰的做法也是日本的“创举”。当时受试验者有中国人、苏联人、朝鲜人，但主要是中国的爱国志士与优秀儿女，包括中国妇女和儿童在内。根据韩国人崔享振的回忆，“北支（甲）”1855细菌部队也同样进行了人体试验。这支部队平均每3个月进行一次人体试验，每次要杀死100多名俘虏，1年要杀死四五百名俘虏。在他服役期间有1000多名俘虏被杀死。据“731”细菌部队细菌生产部长川岛清1949年12月在伯力军事法庭供认，仅在他本人1941年至1945年的5年任职期间，被用于人体试验而遭杀害的人在3000名以上。据推算，从1932年至1940年被用于做试验的人员，保守数字应该是5400人左右。这样，整个侵华期间“731”细菌部队在细菌和毒气试验中杀害的各国人员应不少于8400人。确切的数字还有待于进一步研究。
此外，侵华日军不仅用活人做检验细菌武器效力的罪恶实验，而且用活人来制造和生产细菌武器。其办法是把鼠疫菌、霍乱菌、伤寒菌等恶性传染病直接注射到俘虏身上，或掺人食物中让俘虏吃下，然后进行活体解剖，一方面检验细菌的效力，另一方面利用这些俘虏生产大量细菌武器。例如，“北支（甲）”1855 细菌部队在1943年8月1日至31日1个月内，在日陆军济南防疫给水支部使用11名俘虏制造了999公斤用作细菌战的霍乱生菌及很多鼠疫生菌。
日军不但将细菌直接用于战争，而且采取各种方式在中国传播。特别是在华北地区，侵华日军曾使用飞机大面积投放细菌。在“扫荡”、“讨伐”作战时，有时打着“防疫”的旗号，采取极其隐蔽的方式使用细菌；或者在“扫荡”、“讨伐”撤退时，指令细菌部队把鼠疫、跳蚤投放在村里，把伤寒、霍乱等病菌散放在水井、水池、粮食之中；或派遣汉奸潜入根据地，伺机投放疫鼠、霍乱、伤寒等病菌；或者利用河流，甚至掘堤投放细菌；更残忍的是细菌部队为了试验细菌效果，打着“防疫”的名号给人、牲畜注射病菌等等。由于日军大量使用细菌武器，使得广大华北地区传染病非常猖獗。据1945年11月20日《敌人在华北的暴行》一文记录，“山西人民近年来疾病发展是惊人的，最普遍的病是伤寒、斑疹、赤痢、鼠疫、花柳、梅毒、白喉、天花、霍乱、回归热、脑膜炎、急性肺炎等”，善良的人民并不清楚其中的许多传染病是日本侵略者有组织、有目的地传播的，还以为是天灾呢。
日本的细菌武器杀害了大批中国人民。仅在华北地区，据不完全统计，从1938年7月至1942年11月期间，因霍乱、伤寒、鼠疫等死亡的人员就超过27万名。
浙赣地区是日本细菌战的另一个主要区域。1940年6月初，侵华日军计划7月份攻击浙赣线。从1940年7月上旬至11月上旬之间，日军将制成的伤寒病菌、发疹伤寒病菌、霍乱病菌、鼠疫病菌、脾脱疽菌共约270公斤，用飞机运到华中地区撒放。10月4日早晨，日本派一架飞机侵入衢县上空，沿县城水亭街一带低空飞行，撒下大量带有细菌的大麦、荞麦、粟米、碎布、棉花等物品。奈良部队在9月18日至10月7日对浙江进行了6次细菌攻击后，11月22日又对宁波实施细菌攻击，到处撒放带有鼠疫跳蚤的麦子、棉花等。11月27~28日，日军又连续在宁波、金华撒布鼠疫菌。
1942年8月19日，“731”细菌部队与“荣”字1644部队对浙赣日军撤退区实施细菌战，投放了大量附有鼠疫干燥菌的大米、水果和带菌的老鼠等。8月27日，日军又向衢县撒布了带伤寒菌和感染鼠疫的跳蚤。据不完全统计，浙赣地区因鼠疫直接死亡的人数达7679名之多。
另外，湖南的常德地区也深受日本细菌战之害。日军从1941年至1943年对常德地区的细菌战先后涉及常德周围10个县、36个乡、156个村，所造成的人员伤亡，截止到2002年的第一批调查为7643人。
日本在中国广大地区进行细菌战，形成了疫病大流行，有的地方至今还残留着细菌源。有关专家估计，由于侵华日军的细菌战，中国受害人数不下200万。