打着“关东军防疫给水部”招牌的石井部队，历时三年在平房镇建成。从表面上看，它只是背荫河细菌工厂的搬迁，实质上它是日军细菌部队的扩编与发展。1938年，其本部正式移驻平房镇。哈尔滨市内的“南栋”成为它的第3部。此时，对外使用的“加茂部队”这一名称也改为“东乡部队”。秘密番号是“满洲第659部队”。1941年法西斯德国侵犯苏联两个月后，启用了“满洲第731部队”的番号。1945年5月，德国投降后，为掩人耳目，又改为“满洲25202部队”。尽管番号变化频繁，但实际上是同一支部队在不同时期的不同名称，因此在目前的一些论著中，均统称为“731部队”。
731部队在规模上远远超过了德国纳粹建立的“波兹南细菌学研究所”，据731部队林口支队少佐队长癨原秀夫在笔供上说，731部队的隶属关系是：大本营（陆军大臣）→关东军司令官→关东军防疫给水部部长→各分部部长及卫生研究所所长。
从编制上来看，名义上它属于关东军，但实质上是日本参谋本部直接领导的特种部队。因此731部队人员配备比其他部队略高一等。全部人员有2600人，编配有1名中将、4名少将、800多名佐级军官和300多名技师等。
731部队的部队长，1933年至1942年7月为石井四郎少将，1942年7月石井四郎因贪污军费被撤职后，8月由北野政次少将接任，直至1945年2月。1945年随着日本在战场上的渐渐失利，为进行最后的挣扎，3月1日石井四郎又重新调回哈尔滨{担任部队长，并晋升为中将。
731部队下设8个部、4个支队和1个所。
8个部是细菌研究部、细菌实验部、防疫给水部、细菌生产部、总务部、训练教育部、器材供应部、诊疗部、宪兵室。
4个支队是林口支队、孙吴支队、海拉尔支队、牡丹江支队。
1个所是大连满铁卫生研究所。
此外还有一些野外实验靶场。
下面分别予以介绍。
第1部为细菌研究部，设在平房镇，部长依次是田部井和、北上正隆和菊池斋。其中菊池斋是少将军衔。其任务是研究能够用于细菌战的细菌种类、细菌的毒性、细菌战中作为传播媒介的昆虫及危害农作物的病原菌。此外还研究传染病新种的病原体，调查在关东军管辖区域内的传染病及冻伤等。
部内基本实行的是以负责人命名的班制度。以笠原技师为首的“笠原班”从事病毒研究，以田中技师为为首的“田中班”从事细菌传播媒介物———昆虫的研究，以吉村技师为为首的“吉村班”从事冻伤研究，以江岛技师为为首的“江岛班”从事赤痢研究，以凑正男为为首的“凑班”从事霍乱研究，以冈本技师和石川技师为为首的“冈本班”和“石川班”从事病理研究，以内海技师为为首的“内海班”从事血清研究，以四部技师为首的“四部班”从事伤寒研究，“二木班”从事结核研究，“笠原班”从事立克次氏体(包括跳蚤)研究，“川上班”从事细菌对人传染适应性研究。其中川上班由于川上技师病死而停止，仅存在四个月。此外，还有一个与各部平行的管理监狱“特别班”。它由石井四郎的二哥石井刚男负责。
第2部为细菌实验部，设在平房镇，部长依次由早川工{{敏、大田澄、村上隆、碇常重担任。其任务是从事实施细菌战及实施方法的研究，即攻击方法、制造细菌弹、繁殖毒化昆虫等的研究。该部主要使用动物和活人进行细菌试验，其中“田中班”由731部队设立以后一直在该部队工作的田中英雄负责，主要任务是培养跳蚤。“八木泽班”从事植物病毒研究和传染试验，在正黄旗三屯西南城子沟设立了临时实验场，在安达镇东35华里{{{{的鞠家窑附近设置了特别实验靶场，还有为细菌实验服务的“动物班”、“航空班”、“无线电班”和“气象班”。
第3部为防疫给水部，部长依次是由今江一夫、江口丰洁、增田知贞担任。该部宣化班设在哈尔滨市内，是在原“加茂部队”旧址上重新组建的。它下辖滤水器制造厂和细菌瓷弹壳制造厂（位于杨马架子）。在制造滤水器的幌子掩护下，秘密生产“石井式”陶制细菌弹壳。同时，还在731部队本部所在地平房镇设置了各类小型细菌武器的研制、生产场所。此外，为整个731部队服务的“运输班”也归该部领导。
第4部为细菌生产部，部长依次为川岛清少将、大田澄大佐。该部下设两个分部，按照各自的分工独立制造各类细菌。从细菌繁殖到细菌武器装配的全套工序由柄泽班、野口班、有田班、三谷班、小泷班和植村班完成。
总务部设在平房镇，部长初期由中留金藏中佐担任，后期由太田澄大佐兼任。该部是731部队的中枢部门，其任务是拟定{{细菌战计划，统管本部和各部的业务。它的权力很大，不仅负责整个部队的文秘、人事、财务、计划、后勤和劳工管理等工作，还负责与宪兵队联系和接收供细菌试验用的受试者。该部下设调查处、管理处、后勤处、人事处、会计处、计划处，其中调查处下设翻译班、印刷班、照相班、调查班、兵要地志班、图书室；{{}{}{}{}{{{后勤处下设劳务班、庶务班、酒吧、食堂、学校；管理处下设建设班、工务班、动力班、运输班、电话班等。
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