I 1961 startet arbeid med Milgram-eksperimentet, og han startet å publiserte resultatene mellom 1963 og 1965. Eksperimentet fikk svært mye kritikk knyttet til forskningsetikk. Det ble blant annet kritisert for å ha lurt deltagerne, og for at forskningsdesignet gjorde at deltakerne i eksperimentet ble påført psykisk stress som kunne påvirke dem etter eksperimentet var ferdig. Milgram hevdet på sin side at den grundige debriefingen etter at eksperimentet var ferdig fjernet varige psykiske mén hos deltagerne. Kontroversen rundt eksperimentet førte til hans søknad til American Psychological Association ble utsatt. Først etter at eksperimentet hadde blitt undersøkt for mulige brudd på forskningsetikk, ble han innlemmet i foreningen i 1963.