В 1932 году Сиро начал эксперименты с биологическим оружием в виде секретного проекта японской армии в крепости Жонгма. В 1936 году близ Харбина был развёрнут лагерь Отряда 731. Исследования были засекречены, и для отвода глаз отряд занимался изысканиями в области обеззараживания воды. 9 февраля 1939 года в Токио Сиро прочитал лекцию о бактериологическом оружии в большом конференц-зале военного министерства. Также перед зрителями была произведена вивисекция.

С 1940 года Сиро был назначен начальником управления биологического оружия Квантунской армии, также работал в бактериологическом департаменте Военно-медицинской академии. В 1942 году начались испытания бактериологического оружия, для которых использовались китайские военнопленные и мирные жители. Параллельно отрядом 731 производились опыты по заражению людей с помощью различных микроорганизмов, провоцировались аборты, сердечные приступы, обморожения. В 1942—1945 годах Сиро был главным военным врачом 1-й японской армии.

В конце Второй мировой войны был арестован американцами. Однако в 1946 году по ходатайству генерала Макартура власти США предоставили ему иммунитет от преследования в обмен на данные об исследованиях биологического оружия, основанных на экспериментах над людьми. В итоге Сиро не предстал перед Токийским судом и не понёс наказания за военные преступления[en]. Согласно высказываниям его дочери Харуми, Сиро умер в Японии от рака горла, перед смертью принял католицизм. По некоторым сведениям, он посещал США и продолжал свои исследования в Мэриленде.