Le premier camp abritait les prisonniers juifs utilisés par les gardes ukrainiens. En quittant les quais, en direction du second camp, on pouvait voir les baraques ou étaient entreposés les vêtement et les bagages des victimes. A l'intérieur du second camp, une surface de terrain était entièrement entourée de branchages et de fils de fer barbelés. C'est à cet endroit que les prisonniers devaient se déshabiller avant d'être dirigés à travers un étroit passage vers les chambres à gaz.
Le troisième camp était l'endroit le plus isolé et était entièrement camouflé par des arbres. C'est là qu'étaient installées les chambres à gaz, chacune pouvant recevoir 160-180 personnes. Le gazage se faisait par monoxyde de carbone produit par des moteurs diesels. Les cadavres étaient ensuite retirés des chambres et brûlés dans des fosses spécialement conçues à cet effet.
En avril 1942, Franz Stangl, un officier SS ayant pris part à l'opération d'euthanasie T4, devint commandant du camp. Stangl avait sous ses ordres 20-30 soldats SS, la plupart ayant déjà pris part à l'opération T4. L'équipe de SS était complétée par une compagnie de gardes ukrainiens. De 200 à 300 juifs travaillaient en équipe aux chambres à gaz ainsi qu'aux fosses de crémation.Ils devaient nettoyer les chambres à gaz, arracher les dents en or des cadavres et acheminer ceux-ci vers les fosses.Environ 1.000 juifs travaillaient au nettoyage des wagons et des quai, rassemblant les valises et les vêtements des victimes.
De mai à juillet 1942, près de 100.000 juifs furent gazés à Sobibor. Ils provenaient de Lublin, de Tchécoslovaquie, d'Allemagne et d'Autriche (la plupart ayant transité par les ghettos de Pologne ou par Theresienstadt). Ils arrivaient à Sobibor par train et étaient débarqués sur les quais du premier camp. Les bâtiments construits à proximité des quai étaient conçus pour rassurer les victimes. Les déportés étaient séparés en fonction de leur sexe et de leur âge, les hommes d'une part, les femmes et les enfants d'autre part. Ils devaient remettre leur bagages, se déshabiller puis étaient dirigés vers les chambres à gaz. Les hommes étaient toujours gazés en premier. Le processus d'extermination prenait environ 20-30 minutes. L'extermination d'un convoi de 20 wagons prenait de 2 à 3 heures.
Entre août et septembre 1942, les gazages cessèrent afin de réparer les voies de chemin de fer menant à Sobibor. Le nombre de chambres à gaz passa à cette époque de 3 à 6. Ces nouvelles installations permirent aux SS de gazer jusqu'à 1.200 personnes à la fois, les corps étant toujours brûlés dans des fosses de crémation. Le camp, à présent sous le commandement de Franz Reichsleiter, repris les opérations de gazage en octobre 1942 et ce jusqu'au printemps 1943.
Au cours de cette période, près de 80.000 juifs galiciens, 150.000 juifs du Gouvernement Général ainsi que 25.000 juifs slovaques furent exterminés. En mars 1943 arriva le premier convoi de juifs français. Entre mars et juillet 1943, 19 convois acheminèrent 35.000 juifs hollandais. Dans ses derniers mois d'activité, Sobibor fut également utilisé pour exterminer les populations de ghettos de Vilna, Minsk, et Lida. En tout, on estime que 250.000 juifs furent assassinés à Sobibor.
En juillet 1943, Himmler, qui avait visité le camp en février, ordonna de transformer Sobibor en camp de concentration. Cet ordre signifiait l'arrêt de mort des équipes de prisonniers juifs qui travaillaient aux quais et aux chambres à gaz. Il était évident pour eux qu'étant témoins de l'extermination de dizaines de milliers d'innocents, les SS ne permettraient pas à un seul d'entre eux de rester en vie. Les prisonniers juifs décidèrent donc d'organiser un mouvement de résistance sous les ordres de Léon Feldhendler.
Léon Feldhendler fut aidé par Alexander Pechersky, un juif prisonnier de guerre d'origine russe qui arriva au camp en septembre 1943. La révolte éclata le 14 octobre 1943. Au cours du combat qui s'ensuivit, 11 SS ainsi qu'un certain nombre de gardes ukrainiens furent tués. Près de 300 prisonniers juifs s'évadèrent, mais des dizaines d'entre eux moururent dans le champ de mines entourant le camp et des dizaines d'autres furent repris dans les jours qui suivirent la révolte. En tout et pour tout, seul 50 prisonniers survécurent à la guerre. Le camp fut fermé en octobre 1943 et camouflé en ferme.
