בשנת 1971, במסגרת שיעור פסיכולוגיה, הגה פרופסור זימברדו את אחד הניסויים המעניינים והשנויים במחלוקת בתחום הפסיכולוגיה החברתית: ניסוי אשר מעלה שאלות הן לגבי האתיקה המחקרית והן לגבי טבע האדם והשפעת הסמכות על אנשים הנחשבים לנורמטיביים.
ניסוי הכלא של זימברדו התפתח על רקע מטלה פשוטה שניתנה לסטודנטים לפסיכולוגיה. זימברדו ביקש מהסטודנטים שלו לחקור את תגובתו של אדם אשר נכלא לראשונה בחייו, והסטודנטים (השקדניים...) החליטו להתנסות בחוויה על ידי "כליאה מרצון" במעונות שלהם במשך סוף השבוע. בשיעור בפסיכולוגיה שלאחר מכן, זימברדו שמע את אחד הסטודנטים אומר לחברו שלא יוכל להמשיך את קשר החברות עמו מאחר ו"עשה דברים נוראיים כסוהר". סקרנותו של זימברדו לגבי השפעת הסמכות על חלק מהאנשים התעוררה, והוא החליט לבחון אותה באופן שיטתי. הוא גייס נבדקים אשר הסכימו להתגייס לניסוי של שבועיים בו יוקצו באופן אקראי לתפקידי סוהרים או אסירים. הנבדקים יודעו מראש בכך שאם יוקצו לתפקיד האסירים, יהיו חשופים ל"פגיעה בפרטיות ואי נעימות מסוימת".
הנבדקים גויסו באמצעות מודעה בעיתון ונבחרו לניסוי לאחר שעברו ראיון ומבחנים פסיכולוגים אשר שללו את קיומם של הפרעות נפשיות, מגבלות פיסיות, עבריינות ושימוש בחומרים. תמורת השתתפותם, הובטחו לנבדקים $15 ליום. ההקצאה לכל אחת מקבוצות הניסוי נערכה באמצעות הטלת מטבע, כאשר תשעה משתתפים הוקצו לכל אחת מהקבוצות.
"בית הכלא" נבנה במרתף אוניברסיטת סטנפורד ועוצב בהתאם לצרכי הניסוי: המסדרון היה "חצר הכלא" בה הותר לאסירים לדבר, להתעמל וליצור קשר זה עם זה, והכיתות עוצבו כתאי בית סוהר. אחד החדרים שימש כצינוק, שעונים הוצאו מה"כלא" ומצלמות הוצבו בתוך בית הכלא ואפשרו לחוקרים לצפות במתרחש.
הניסוי החל במעצרם של הנבדקים שהוקצו לקבוצת האסירים. ה"אסירים" נעצרו בביתם, לעיתים לעיניהם של שכנים, כאשר סיטואציית המעצר בוצעה "לפי הספר" וכללה אזיקה, בדיקה גופנית כאשר האסיר נשען בפישוק רגליים על ניידת המשטרה ונסיעה לתחנת המשטרה. בתחנת המשטרה, האסיר שמע את זכויותיו, נלקחו ממנו טביעות אצבע והוא נאלץ להמתין בתא מעצר ממנו נלקח לאחר זמן מה ל"בית הכלא". עם הגעתם, האסירים הופשטו, סופרו, רוססו בספריי נגד פרעושים וקיבלו כובעים, מדים דמויי שמלה ושרשרת לרגלם, כאשר בכל חליפת מדים הוטבע מספר אישי שהחליף את שמו הפרטי של האסיר. זאת, במטרה לדמות ככל האפשר את ההשפלה, האנונימיות והפגיעה בחופש שחווה אסיר אמיתי.
הסוהרים לא קיבלו הוראות ספיציות אך הונחו לנהוג באסירים בכבוד, לשמור על הסדר ולהתייחס למשימה המסוכנת במלוא הרצינות. הסוהרים הולבשו במדים אחידים, הרכיבו משקפי שמש שלא אפשרו לראות את עיניהם וצוידו באלות.
בתחילת הניסוי, ניכר היה כי האסירים אינם משלימים עם מעמדם החדש והם ניסו לבסס את עצמאותם. במקביל, נראה כי הסוהרים עדיין אינם בטוחים כיצד לכפות את מרותם על האסירים. שכיבות שמיכה התבססו כעונש נפוץ על חוסר ציות או הפרת הכללים, כאשר כבר בשלב מוקדם אחד הסוהרים דרך על גבם של האסירים או הורה לאסיר אחר לשבת על גבם בזמן שהם מבצעים שכיבות שמיכה.
היום הראשון עבר בשקט אך כבר בבוקר היום השני האסירים ארגנו מרד: הם הסירו את כובעיהם, תלשו את המספרים האישיים מבגדיהם והתבצרו באחד התאים. הסוהרים הגיבו בכעס ותסכול ודרשו הבאת "תגבורת" של סוהרים- נבדקים אשר התקבלו ל"רשימת ההמתנה" של הניסוי ונאמר להם שייקראו במידת הצורך. הסוהרים החליטו "להגיב בכוח על כוח", התיזו על האסירים באמצעות מטף לכיבוי אש ולאחר שפרצו לתא- הוציאו ממנו את המיטות, הפשיטו את האסירים, בודדו את "ראש המרד" והחלו להפחיד אותם ולהטריד אותם. לאחר מכן, הסוהרים החליטו על "שימוש בטקטיקות פסיכולוגיות" והעניקו פריבליגיות רק לאסירים אשר היו פחות פעילים במרד. פריבילגיות אלו כללו קבלת מיטותיהם בחזרה, קבלת ארוחות, אישור לרחצה וצחצוח שיניים ובשלב מסוים- גם שימוש בשירותים. בהמשך, פעלו הסוהרים לשבירת הסולידריות בין האסירים וליצירת בלבול ואי אמון. בין הסוהרים ניתן היה לזהות שלושה סוגים: ה"ענייניים", ה"טובים" שלא הענישו ועשו טובות קטנות עבור האסירים וסוג נוסף, אשר מנה כשליש מהסוהרים והתאפיין בעוינות, הנאה מהכוח, השפלת האסירים.
פחות מ-36 שעות מתחילת הניסוי, אחד האסירים החל להפגין סימפטומים של הפרעה רגשית- בלבול, חשיבה מוזרה, בכי והתפרצויות זעם- אך החוקרים והסוהרים הניחו שהוא מעמיד פנים. הסוהרים הציעו לו להפוך ל"מודיע" בתמורה להפסקת ההטרדות, איימו עליו והפחידו אותו ולבסוף, כאשר התנהגותו הלכה והחריפה, שוכנעו כי הוא אכן שרוי במצוקה רגשית קשה.
ביום השלישי לניסוי הגיעו בני משפחה לביקור, בהתאם למגבלות המאפיינות בתי כלא. מתוך חשש מתגובתם למצבם של האסירים, שופרו תנאי האסירים לפני הביקור- הם נהנו מארוחה גדולה, מקלחות, מוסיקה וניקיון יסודי של בית הכלא. תלונות של הורים על מצבם של ה"אסירים" זכו להתעלמות, או להעברת האשמה לחולשתו של ה"אסיר" עצמו.
בעקבות שמועה על תכנון בריחה מהכלא, החוקרים חיזקו את האבטחה והשתילו "מודיע" באחד מתאי האסירים ואף הגישו בקשה (שנענתה בשלילה) להעביר את הניסוי למבנה בית כלא אמיתי! במהלך תכנונים אלו, הגיע לביקור אחד מחבריו של פרופ' זימברדו ותהה מה הוא המשתנה הבלתי תלוי במחקר- שאלה אשר עוררה בחוקר זעם רב וכך גרמה לו להבין עד כמה נשבה אף הוא ברוח הניסוי שתכנן.
בינתיים, הסלימו ההשפלות בכלא: האסירים אולצו לעסוק בעבודות חזרתיות ומשפילות כניקוי השירותים בידיים חשופות, ונדרשו שוב ושוב לבצע שכיבות שמיכה ותרגילים אחרים. בשלב זה, כאשר הגיע לביקור כומר שראיין את האסירים, זימברדו הופתע כאשר מחציתם הציגו את עצמם במספרם האישי ולא בשמם הפרטי.
בלילה החמישי לניסוי פנו מספר הורים לחוקר בבקשה להפסיק את השתתפותם של ילדיהם והצורך בהפסקת הניסוי הפך ברור. האסירים שוחררו ביום השישי של הניסוי, במקום לאחר שבועיים. במהלך ששת ימי הניסוי צפו בו כ-50 איש אך רק צופה אחת הטילה ספק במוסריותו.
ניסוי הכלא של זימברדו הוכיח באופן חד משמעי את כוחה של סמכות. הן האסירים והן הסוהרים הטמיעו את תפקידיהם ונראה היה כי אינם זוכרים כי מדובר בניסוי בלבד. במבחנים הפסיכולוגיים המקדימים לא נמצאו הבדלים משמעותיים בין משתתפי הניסוי אשר יכלו להסביר את ההתנהגות הסאדיסטית שנצפתה אצל כשליש מהסוהרים. על סמך נתון זה, הסיקו החוקרים כי בסיטואציות המערבות כוח וסמכות, גם אנשים "רגילים" עשויים לאמץ עמדה כוחנית ואלימה. בהקשר זה חשוב לציין כי גם הסוהרים ה"ענייניים" וה"טובים" וגם צוות החוקרים אשר צפה במהלך הניסוי לא התערבו ולא מנעו את הפגיעה באסירים.
ניסוי הכלא של זימברדו ספג ביקורת רבה מההיבט האתי הן בשל ההתעללות שחוו האסירים והן מתוך מחשבה על הנזקים לטווח הארוך אשר עלולים להיגרם למשתתפי הניסוי בשני התפקידים: הניסוי הפגיש הן את האסירים והן את הסוהרים עם צדדים "אפלים" באישיותם, ומפגש זה עשוי היה להיות מערער והרסני.