2011年4月から2013年2月まで理化学研究所発生・再生科学総合研究センター（CDB）ゲノムリプログラミング研究チーム（チームリーダー：若山照彦）客員研究員としてSTAP細胞の研究に取り組む。この間ハーバード・メディカルスクールの博士研究員（非常勤）の籍も持つ。2010年にチャールズ・バカンティと大和雅之は独立に刺激で細胞が初期化されるアイデアを思い付き、小保方は幹細胞を取り出す実験を繰り返すうちに、取り出しているのではなく刺激でできていることを発見したとされる。この外からの刺激で体細胞を初期化する現象を「刺激惹起性多能性獲得」（英語名のstimulus-triggered acquisition of pluripotencyから「STAP」）」、それで得られる全ての生体組織と胎盤組織に分化できる多能性を持った細胞を「STAP細胞」（スタップさいぼう、STAP cells）、STAP細胞に増殖能を持たせたものを「STAP幹細胞」 (STAP-SC)、胎盤へ寄与できるものを「FI幹細胞」 (FI-SC) と名付けた。2011年11月に若山照彦の指導のもと、キメラマウスの作成に成功、2012年4月にネイチャーへの論文投稿と米国仮特許出願を行う。しかし論文は不採用とされ、セルやサイエンスへも投稿し直すが、全て不採用にされてしまう。その後2012年12月に笹井芳樹、2013年1月に丹羽仁史が参加し、論文を再執筆。この間の11月15日に小保方へ対して研究ユニットリーダー（RUL）応募の打診があり、12月21日に採用面接を受けている。2013年3月1日に研究ユニットリーダーに就任し、理化学研究所 発生・再生科学総合研究センター 細胞リプログラミング研究ユニットを主宰する。笹井芳樹らがメンターの元、3月中に米国仮特許出願とネイチャー再投稿、4月に国際特許出願を行う。2013年10月に国際特許が公開され、12月に念願のネイチャー論文2報（万能細胞の作製法が中心の撤回済みアーティクル論文と、多能性の検証が中心の撤回済みレター論文）が受理される。2014年1月末にSTAP研究を発表し、「リケジョの星」「ノーベル賞級の発見」として一躍時の人となるが、STAP論文や博士論文において様々な研究不正の疑義が発覚。2月17日に理化学研究所やネイチャーが本格的に調査を開始。3月28日に早稲田大学も博士論文について調査委員会を立ち上げ、3か月程で報告を行うと発表した。
小島宏司と大和雅之の縁で、2008年にグローバルCOEプログラムの一環でハーバード大学医学大学院教授のチャールズ・バカンティの研究室に短期留学する。チャールズ・バカンティの元で胞子様細胞 (spore-like cells) の研究に取り組み、セミナーを受講したり留学生仲間と小旅行に出かける等、留学生活を謳歌する。留学期間終了後も客員研究員として2009年冬まで滞在する。胞子様細胞（spore-like cells）研究を発展させる実験に取り組み、2009年4月に幹細胞研究の論文を徹夜で200本読み込み、プレゼンテーションして、8月に論文を書いて投稿するが、2010年春に論文は却下されてしまう。同じくバカンティ教授の下で研究し、論文の共著者の1人でもある小島宏司は「その後の2-3年は彼女は本当につらかっただろう」と語っている。小保方は博士論文研究としてこの細胞の多能性を検証することに取り組む。「分化した動物細胞が刺激だけで多能性分化能を再獲得することはあり得ない」というのが常識であったため、ハーバード大学では多能性の判定の仕事を手伝ってくれる人が見つからなかった。そこで理化学研究所のチームリーダーであった若山照彦（後に山梨大学教授）の協力を仰いだ。若山は「最初は『できるはずがない』と思ったが、あり得ないことを試すのは自分も好きだったので手伝った」という。最終的にティシュー・エンジニアリング誌へ論文を投稿し、2011年に掲載。2011年2月に博士論文「三胚葉由来組織に共通した万能性体性幹細胞の探索」を提出して、3月15日に早稲田大学で博士（工学）の学位を取得した。
2011年8月31日、移籍期間最終日にオランダ・エールディヴィジのフェイエノールトにレンタル移籍した。 9月11日のNACブレダ戦でデビューすると、その試合でチームメイトが獲得したPKのキッカーの座を要求し(エールディヴィジライヴが1年後に作成したドキュメンタリー番組"John Guidetti The Goalden Year"の中ではグイデッティは「レールダムに『蹴りなよ、君は新ストライカーなんだから』とボールを渡され、信頼を感じた」と語っている)、初得点となるPKを決めた。11月20日のフィテッセ戦 (4-0) で初めてPK以外でのゴールを挙げ、12月11日、FCトゥウェンテ戦 (3-2) ではハットトリックを達成した。2011-12シーズン前半戦は12試合の出場で11得点を挙げ、得点ランキング4位に付けた。2012年1月29日、アヤックス・アムステルダムとのデ・クラシケル (4-2) では数日前に喉の炎症を起こしてベストなコンディションでは無かったにも関わらずシーズン2度目のハットトリックを達成し、約6年ぶりのデ･クラシケル勝利の立役者となった。2月12日のフィテッセとのホームゲームでもハットトリックを達成し、デ･カイプでの3試合連続ハットトリックというエールディヴィジでは同郷のオフェ・キントファル以来史上二人目の歴史的記録を残す。フェイエノールトの選手の1シーズン3回のハットトリックも2005-06シーズンのディルク・カイト以来の記録。2月18日のRKCとのホームゲーム、雨で苦戦していた後半にグイデッティはPKで先制点を決めるが、解放感からシャツを脱いでしまい、2枚目の警告を受けて退場処分に。グイデッティは「人生最悪の瞬間だった」と監督、チームメイト、サポーターに謝罪したが、次節に組まれていた重要なPSVとのアウエーゲームを出場停止となった。4月14日のエクセルシオール戦後に食中毒がきっかけとなり神経炎を発症。メディカル･スタッフの素早い対応でフットボール･キャリアを失うことは避けられたが、その後シーズンの終盤戦は出場することができなかった。しかしグイデッティの抜けたチームはリーグ最終戦でヘーレンフェーンを下して2位でシーズンを終え、CL予選出場権を獲得、試合後にグイデッティは街中でサポーターに囲まれ、肩に担がれてフェイエノールト･フラッグを振りながらデ･カイプでのセレモニーに向かった。このセレモニーの中でグイデッティはスタンドのファンに向けて"Feyenoord till I die"と歌っている。このシーズンは23試合で20ゴール8アシストを記録、その数字以上のインパクトと存在感を残したグイデッティは低迷していたフェイエノールトの復活の象徴と見なされており、今もロッテルダムではカルト的人気を誇っている。