前往满洲协助细菌战的研究，「关东军防疫给水部」日益扩编，成为拥有人数高达3000人和各式设备的庞大组织，而石井的军阶也随之提昇，先于1935年8月晋升军医中佐，1938年3月再晋升为军医大佐。在石井的领导下，「关东军防疫部」策划了1939年10月「第二次诺门罕事件」的细菌战攻击行动，而这也是日军首次的细菌作战。石井也因此在日军各部队大败之余单独获得了大本营颁发的感谢状，之后又在1940年4月29日获得了功三级金鵄勋章与旭日中绶章。1939年起，石井开始被派至中国各日军佔领区、成立各派遣军的防疫给水部队支部，