在哈佛大學醫學院學習期間，小保方晴子產生了“STAP”細胞的設想。哺乳動物的細胞特化使得細胞個體得以行使各種不同的功能，從壹個已分化的細胞類型向另壹類型轉變的過程被認為是非常罕見的。但小保方晴子認為，通過令高度分化的體細胞接受外來刺激，可以使細胞回到類似於“幹細胞”的狀態，研究人員將這壹細胞稱為“刺激觸發性多能性獲得細胞”，英文名Stimulus-Triggered Acquisition of Pluripotency cells，縮寫為STAP細胞。
2009年8月，小保方晴子開始寫作第壹篇關於STAP細胞方面的論文，於2010年春季向科學雜誌《自然》投稿。但“不可能存在動物細胞接受外來刺激而獲得多能性”在細胞學界是壹條常識，這壹論文未獲通過。同在Charles Vacanti教授研究室工作的及論文合著者哈佛大學準教授小島宏司評價道“此後的2-3年她（小保方晴子）內心真的很痛苦”。
2011年3月，日本理化學研究所的研究團隊主任若山照彥（後任山梨大學教授）聽聞此事後，表示願意伸出援手，於是小保方晴子加入若山照彥研究團隊，就任理化學研究所客座研究員。
研究表明，細胞類型的轉換能夠利用“細胞重編程”實現——通過在特定條件下引入某些轉錄因子，研究者可以改變細胞的特化程度。2006年，日本的山中伸彌團隊通過調控4種轉錄因子獲得了誘導性多能幹細胞（iPSCs），因此獲頒2012年諾貝爾生理學獎，2013年，北京大學生命科學學院鄧宏魁教授和趙揚博士帶領的研究團隊發現了化學誘導多能幹細胞（CiPSCs） ，全球的幹細胞研究也開始步入新的時代。
小保方晴子和同事通過熒光蛋白監測細胞的多能性，如果目標細胞展現出與多能性相關的基因表達，他們就可以檢測到綠色熒光。研究者對不同環境壓迫條件下的白細胞進行了檢測，發現短期暴露在低pH溶液中的白細胞，有部分激活了多能性標記。研究者將這些細胞收集起來，發現它們具備早期胚胎的基因標記——即所謂“刺激觸發的多能性獲得”（STAP） 。
最初，研究團隊嘗試用酸性溶液刺激來尋找STAP細胞，但都以失敗告終，但是他們並沒有放棄，繼續嘗試刺激方法，最終在2011年年底從接受刺激的實驗鼠中尋找到了壹個標示綠色熒光的多能性細胞的亮點。
此後，研究小組將出生不久的實驗鼠的淋巴球在弱酸性溶液中浸泡30分鐘左右後，進行了培植，獲得了持久擁有可以演變為各種細胞能力的遺傳基因被激活的結果。研究人員將這壹細胞放入實驗鼠體內，並確認到該細胞演變為皮膚和肌肉等各種細胞 。
2014年1月29日，日本理化學研究所召開記者招待會，宣稱小保方晴子所在的研究團隊成功發現了近似於iPS細胞的新萬能細胞STAP細胞的研究成果。這壹成果分別以壹篇論文 和壹篇來信 的方式發表於《自然》雜誌（Nature 505，641–647頁和676- 680頁，2014年1月30日號）上。兩篇論文的第壹作者都是小保方晴子、通訊作者為查爾斯·維坎提，若山照彥教授與小保方晴子在理化所的同事笹井芳樹和丹羽仁史也是兩篇論文的***同作者。
第壹篇論文主要報道了STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency, 刺激觸發的多能性獲得) 這個現象的發現，即亞致死量的外界刺激，例如弱酸環境，可以將哺乳動物的體細胞重編程為多能細胞 (pluripotent cells)，並報道了如何從STAP細胞中分離可擴增的多能細胞株 。第二篇論文著重報告利用STAP獲得的多能細胞可以與胚胎幹細胞 (embryonic stem, ES) 形成嵌合體，並且對胚胎和胎盤等組織發育有貢獻 。
壹直以來，“萬能細胞”以iPS細胞為代表，它是通過向皮膚等細胞中導入遺傳基因而制成的。此次新誕生的萬能細胞通過外部刺激這壹更加簡單的方法就能短時間的生成，因此受到各方關註。
小保方晴子認為，與iPS細胞等技術不同，這項創新技術的亮點是，僅僅通過改變外部環境，給予細胞刺激，就能使細胞發生變化。同時她還認為，這項技術應該能在再生醫療和免疫研究等領域作出貢獻。研究小組決定，將繼續開展研究，以便查明這項新技術能否也應用於人體細胞。
兩篇論文壹發表立即引起轟動。英國倫敦大學教授Chris Mason評價認為，這是日本科學家對於萬能細胞制作方法的壹次重要改寫，山中伸彌用四個基因控制產生人工多能性幹細胞(iPS細胞)，STAP細胞用酸性溶液培養即可完成，方法更為簡易；分化的細胞可以通過物理刺激重編程為胚胎類似的狀態，並且使用了...by a simple procedure（簡單易行的措施） 來描述小保方等人提出的方法 。山中伸彌此時已任京都大學iPS細胞研究所主任，他對此發現評價，作為日本的壹位年輕學者就有如此重大發現，真是從內心感到驕傲。STAP細胞也很有可能突破iPS細胞很難在體內臟器再生的瓶頸。
同時，小保方的論文摘要也強調，重編程的過程，既不需要核轉移，也不需要遺傳操作。而核轉移和遺傳操作的理念，正好分別是2012年諾獎獲得者John Gurdon和Shinya Yamanaka獲獎的原因 。