Le , il est affecté au camp de concentration d'Auschwitz, où il sert de Sanitätswesen dans le camp féminin de Birkenau puis dans le camp des Roms. Là, il participe au tri des déportés (Selektionen) entre ceux voués au travail forcé et ceux voués à la chambre à gaz. Il faisait également des expériences sur des détenues cancéreuses[2]. Antisémite, il se montrait cruel avec ses patients Juifs mais pouvait faire preuve de courtoisie avec les autres patients[3].
Lorsque le DrElla Lingens-Reiner, elle-même déportée en 1942 pour dissidence[4], lui montra les cheminées et lui demanda comment il conciliait ses actions de SS avec ses obligations éthiques de médecin, Klein déclara[5][6]:
«Mon serment d'Hippocrate me dit d'extraire un appendicegangrené hors du corps humain. Les Juifs sont l'appendice gangrené de l'humanité. C'est pourquoi je les extrais.»
À la libération du camp, il se rend, en compagnie de Josef Kramer, aux troupes britanniques qui l'obligent à ensevelir les cadavres restants dans des fosses communes. L'unité photographique et cinématographique britannique de la 5e armée a photographié Klein debout dans une fosse commune, dans une célèbre photo de 1945.
Fritz Klein au milieu de cadavres de déportés. Les Britanniques imposent aux gardiens du camp de participer manuellement à l'enterrement des dépouilles des prisonniers.
Klein et 44 autres personnels du camp ont été jugés dans le procès de Belsen par un tribunal militaire britannique à Lunebourg[7]. Le procès a duré plusieurs semaines de septembre à . Au cours du procès, Anita Lasker-Wallfisch confirme la participation de Klein au tri des déportés.
12(en) Francis R. Nicosia et Jonathan Huener, Medicine and Medical Ethics in Nazi Germany: Origins, Practices, Legacies, Berghahn Books, (ISBN978-0-85745-692-2, lire en ligne), p.69
↑(en) Auschwitz: Nazi Extermination Camp, Interpress, (lire en ligne), p.131
↑(en) Ella Lingens-Reiner, Prisoners Of Fear, (lire en ligne), p.1-2
↑(en) David Lowther, Liberating Belsen: Remembering the Soldiers of the Durham Light Infantry, Sacristy Press, (ISBN978-1-908381-93-4, lire en ligne), p.108