2月14日，威廉·布蘭迪海軍少將率領由6艘戰列艦、12艘護航航母、5艘巡洋艦、16艘驅逐艦組成的火力支援編隊離開塞班島前往硫磺島。

2月15日，美海軍部長福雷斯特爾在尼米茲陪同下到達塞班島，聽取有關硫磺島戰役的匯報，并視察戰役準備。大病初愈的登陸編隊司令特納，人稱“短吻鱷”，匯報原計劃對硫磺島進行十天的炮火準備，因為軍艦無法攜帶十天炮擊的彈藥，只能進行三天的炮擊，但特納表示對面積僅二十平方公里的小島進行三天的炮擊已經足夠，炮火未能摧毀的防御將由登陸部隊來完成。

2月16日清晨，布蘭迪的火力支援編隊到達硫磺島海域，開始實施預先火力準備。所有戰列艦、巡洋艦都被劃分了地段，對已查明的目標逐一摧毀。為確保炮擊的準確，有幾艘戰列艦甚至在距岸邊僅3000米處對目標進行直接瞄準射擊。但由于天氣不佳，島上又是硝煙彌漫，預定的750個目標只摧毀了17個，炮擊效果很不盡人意。日軍只以部分中小口徑火炮進行反擊，擊傷戰列艦、巡洋艦各一艘，大口徑火炮出于隱蔽考慮，一炮未發。

2月17日，美軍水下爆破隊在12艘登陸炮艇的掩護下探測海灘礁脈的航道，并清除水下的水雷和障礙物，粟林以為美軍登陸在即，下令大口徑火炮開火，將12艘登陸炮艇擊沉9艘，擊傷3艘，艇員陣亡、失蹤44人，傷152人。美軍大為震驚，島上的日軍竟然還有如此猛烈的火力，立即對這些剛暴露出的目標進行轟擊。

從16日至18日三天里，美軍除了艦炮火力外，護航航母的艦載機也全力出擊，有的進行空中掩護；有的進行反潛警戒；有的觀測校正彈著；有的向日軍陣地投擲燃燒彈，燒掉日軍陣地的偽裝，使之暴露出來，以便于艦炮將其消滅。而塞班島的轟炸機也頻頻前來助戰，對硫磺島進行轟炸。這三天中，硫磺島幾乎完全被美軍火力轟擊的硝煙所淹沒，日軍只得龜縮在坑道里無法活動。據統計，美軍在登陸前共消耗炮彈、炸彈24000余噸，硫磺島上平均每平方公里承受了1200噸，但日軍憑借堅固的地下工事，損失輕微。

1945年2月19日六時，特納率領的登陸編隊到達硫磺島海域，斯普魯恩斯和米切爾指揮的航母編隊也到達硫磺島西北海域，此時，硫磺島出現了少有的晴朗天氣，天高云薄，微風輕拂。

六時四十分，美軍艦炮支援編隊的7艘戰列艦、4艘重巡洋艦和13艘驅逐艦開始直接火力準備，航母編隊一邊擔負空中掩護，一邊出動艦載機參加對硫磺島的航空火力準備。這次火力準備，時間雖短，但因為天氣晴朗，目標清晰可見，效果比較理想。

登陸部隊海軍陸戰隊三個師，以陸戰第四、第五師為一梯隊，陸戰三師為預備隊，在直接火力準備的同時，第一批登陸部隊八個營完成了換乘。

登陸灘頭在硫磺島的東海灘，從折缽山山腳下沿海岸向東北延伸，總長3150米，從南到北依次每450米劃分為一個登陸灘頭，代號分別是綠一、紅一、紅二、黃一、黃二、藍一、藍二。陸戰五師在南端的三個灘頭登陸，穿越島的最狹窄部，孤立或攻占島南的折缽山，陸戰四師則在北面的四個灘頭登陸，攻擊一號機場。

八時三十分，第一波68輛履帶登陸車離開出發點，向灘頭沖擊。

八時五十九分，艦炮火力開始延伸射擊。

九時正，部隊準時開始登陸，一開始非常順利，日軍的抵抗十分微弱，只有迫擊炮和輕武器的零星射擊，美軍遇到的最大阻礙是岸灘上的火山灰，由于岸灘全是火山灰堆積而成，土質松軟異常，履帶登陸車全部陷在火山灰中，難以前進，后面的登陸艇一波接一波駛上岸，卻被這些無法動彈的履帶登陸車阻擋，根本無法搶灘登陸，艇上的登陸兵只好涉水上岸。見日軍只有零星的輕武器射擊，特納甚至認為照此發展，只需五天就可占領全島。但好景不長，登陸的美軍才推進了二百余米，日軍等美軍炮火開始延伸，粟林就下令從坑道進入陣地，根據事先早已測算好的數據，日軍炮火準確覆蓋了登陸灘頭，一時間，美軍被完全壓制在灘頭，傷亡慘重，前進受阻。

陸戰五師因為比陸戰四師晚了大約二十分鐘遭到炮擊，而且炮火相對比陸戰四師遭受的要弱，所以先頭的二十八團一營得以利用這一機會，穿越島的最狹窄部，切斷了折缽山與其他地區日軍的聯系，二營則隨后向折缽山發起了攻擊。陸戰四師在日軍猛烈炮火阻擊下，幾乎寸步難行。就在這樣的危急時刻，美軍的艦炮火力給了登陸部隊以極其有力的支援，此次登陸，美軍登陸部隊每個營都配有艦炮火力控制組，能夠及時召喚艦炮火力的支援，而空中的校射飛機也發揮了巨大作用，準確測定日軍炮火位置引導艦炮將其消滅，可以說，在太平洋戰爭歷次登陸戰中，艦炮火力支援從沒有像硫磺島登陸戰那樣有效，在艦炮火力的大力支援下，美軍登陸部隊艱難向前推進，全天美軍共消耗127毫米以上口徑艦炮炮彈38550發，火力支援之強，史無前例。

九時三十分，美軍的坦克上岸，隨即引導并掩護登陸部隊攻擊前進。本該發揮巨大作用的坦克，大都陷入火山灰，動彈不得，少數幾輛也行動蹣跚，很快就成為日軍反坦克炮的目標，被一一擊毀。美軍只能依靠士兵用炸藥包和火焰噴射器，一步一步向前推進，而每一步都要付出慘重的代價。

十時三十分，美軍已有8個步兵營和1個坦克營上岸，正竭力擴展登陸場。

十一時，風向轉為東南，風力逐漸加大，給美軍的登陸帶來了很不利的影響，這時各團的預備隊營正在登陸，許多登陸艇被強勁的陣風吹得失去控制，甚至傾覆，再加上日軍炮火的轟擊，灘頭上到處都是損壞的登陸艇，而后續的物資和人員仍在按計劃源源不斷上岸，整個海灘一片混亂。但這樣混亂的場景因塵土飛揚，硝煙彌漫，海面上的軍艦根本看不清楚，特納向尼米茲報告登陸部隊幾乎沒遇到抵抗，傷亡輕微。

十二時許，美軍陸戰四師二十三團才前進了450米，接著繼續在火力支援下攻擊前進，直到十四時，才攻到一號機場。而四師的另一個團二十五團則被日軍在藍二灘東北的一個小艇專用港邊懸崖上的大量永備發射點所阻，傷亡嚴重，卻毫無進展，為摧毀這些永備發射點，美軍使用了一種新的引導艦炮射擊法：先以登陸艇向目標發射曳光彈，巡洋艦再根據曳光彈的彈著射擊，效果極佳，到黃昏時分，終于消除了這些火力點的威脅，但二十五團在登陸當天幾乎沒有進展。陸戰五師情況梢好，二十八團已割裂折缽山與其他地區日軍的聯系，將其包圍起來；二十七團在海灘上被困四十分鐘之后，終于取得了突破，推進到了一號機場南端。

日落時，美軍已有6個步兵團、6個炮兵營和2個坦克營共約三萬人上岸，占領了寬約3600米，縱深從650米到1000米不等的登陸場，全天有566人陣亡，1858人負傷，傷亡總數約占登陸總人數的8%。就第一天的戰況而言，還不算太糟糕，但隨后的戰斗將更為艱巨。

天黑后，美軍害怕日軍發動大規模夜襲，海面上的軍艦幾乎不間斷地向島上發射照明彈，將黑夜照得如同白晝，出乎意外的是，日軍通常會在登陸的當天夜間發動的夜襲根本沒有，除了一些小股日軍的襲擾外，太平無事。這是因為粟林深知自己的實力，堅決不采取自殺性的沖鋒。度過了第一個平安的夜晚后，迎接美軍的將是更為殘酷的戰斗。

2月20日，從凌晨開始，美軍艦炮就根據登陸部隊的要求進行火力準備。八時三十分，美軍登陸部隊發起了進攻，陸戰四師在艦炮和坦克支援下，攻占了一號機場，并切斷了島南日軍與元山之間的聯系。機場剛剛被攻占，工兵就開始全力搶修，以便盡快能投入使用。陸戰五師向折缽山攻擊，由于日軍很多工事都建在艦炮火力無法射擊到的巖洞中，在坦克到來前，二十八團幾乎無法前進，最后在坦克掩護下，以手榴彈、炸藥包、火焰噴射器逐一消滅巖洞中的日軍，有時甚至出動推土機將洞口封閉，因此進展極為緩慢，直到黃昏，才總共前進了180米。

2月21日，島上的激戰仍在繼續，進展十分有限。海灘勤務大隊經過不懈的努力，解決了灘頭的混亂局面，天氣卻愈加惡劣，海上風大浪高，嚴重影響了補給品的卸載。由于島上的部隊傷亡較大，作為預備隊的陸戰三師二十一團奉命上島投入戰斗。

2月22日，因大雨美軍登陸部隊被迫停止進攻，抓緊進行戰地休整。由于三天來，美軍在硫磺島上陣亡、失蹤人數已達1204人，負傷4108人。美國國內的新聞界甚至強烈要求“讓陸戰隊喘口氣——給日本人放毒氣。”誠然，對付隱藏在坑道或巖洞中的日軍，毒氣既實用，又比火焰噴射器更為“仁慈”，盡管美、日兩國都沒有簽署嚴禁使用毒氣的《日內瓦公約》，但羅斯福總統和尼米茲都不愿違反公約，戰后尼米茲承認，沒有使用毒氣完全是出于道義的考慮，結果使大量優秀的陸戰隊員付出了生命。

2月23日，美軍陸戰四師以二號機場為目標發起總攻，但在日軍永備發射點、坑道、地堡和巖洞工事組成的防線前，推進極為緩慢，簡直像蝸牛爬行。全天，只有右翼前進了約300米，左翼和中間幾乎毫無進展。

這天唯一的戰果是在折缽山，美軍因其不斷噴發煙霧，稱之為“熱巖”，日軍幾乎將整座山掏空，修筑有數以千計的火力點，尤其是山頂的觀察哨，居高臨下俯瞰整個東海岸，能準確指引、校正縱深炮火的射擊，對于美軍威脅極大。經四天血戰，十時二十分，陸戰五師二十八團由哈羅得?希勒中尉率領的40人組成的小分隊，終于攻上了折缽山山頂，升起了一面美國國旗。盡管折缽山上，仍有近千日軍憑借著坑道和巖洞工事拼死抵抗。四小時后，希勒的士兵又插起了一面更大的星條旗，美聯社記者喬?羅森塔爾將插旗時的情景拍攝下來，這張照片隨即廣為流傳，成為勝利的象征。后來太平洋戰區總部還專門查詢插旗的陸戰隊員姓名和家庭地址，進行表彰。剛趕到硫磺島視察的美國海軍部長福雷斯特爾和第五兩棲軍軍長史密斯注視著在折缽山山頂飄揚的國旗，非常激動，福雷斯特總結到：“折缽山升起的國旗意味著海軍陸戰隊從此后五百年的榮譽！”海面上軍艦上的水兵看到這面象征勝利的旗幟，歡聲雷動！——特納將陸戰五師二十八團留在折缽山，負責肅清山上的日軍，而五師的另兩個團則調到北部，協同四師攻擊元山地區的日軍。

同日，美軍的航母編隊在硫磺島以東海域與海上勤務大隊會合，接受海上補給，當晚再次向日本本土進發，以壓制日軍可能對硫磺島的支援。

2月24日，戰斗殊為激烈，陸戰三師二十一團在海空火力的大力支援下，由坦克開道，終于突破了日軍在二號機場南側的防線，推進730米，拔除了日軍近800個碉堡，日軍隨即發動了一次逆襲，二十一團猝不及防，一度被迫后退，隨后在艦炮支援下拼死反擊，才將陣地鞏固。很快美軍就發現，隨著逐漸升高的地形，日軍構筑了密如蟻穴的地堡和縱橫交錯的坑道網，憑借著這些工事抵抗是越來越頑強。至當天，美軍傷亡總數已達6000人，其中陣亡1600人，面對如此慘重的傷亡，美軍將作為預備隊的陸戰三師師部和陸戰第九團、野戰炮兵第十二團送上島，投入戰斗。

2月25日，三個陸戰師在硫磺島并肩開始攻擊，四師在右，三師居中，五師在左，并列向東北推進。

同一天拂曉，美軍的航母編隊到達距東京東南190海里海域，出動艦載機對東京地區的日軍機場和飛機制造廠進行空襲，和第一次空襲一樣，因為天氣惡劣，轟炸效果并不理想，米切爾隨后指揮航母編隊轉向西南，前去突擊沖繩島。于3月1日對沖繩首府那霸進行了空襲，同時對沖繩島、慶良間列島和奄美大島等地進行了航空攝影，為即將開始的沖繩戰役提供資料。航母編隊最后于3月4日返回了烏利西。

3月1日，美軍經過激烈的鏖戰，終于攻占了二號機場和元山村。

硫磺島上的美軍每前進一步，都要付出巨大的代價，戰斗已經成為不折不扣的消耗，有時一整天只前進4米，慘重的傷亡甚至使軍官們都沒有勇氣再將士兵投入戰斗。在對島上第二制高點382高地的爭奪中，陸戰四師屢屢陷入日軍交叉火網，傷亡極其慘重，382高地因此被稱為“絞肉機”，戰斗部隊的傷亡高達50%以上，有經驗的連、排長和軍士長傷亡殆盡，許多連隊連長由少尉或上士擔任，而排、班長大都由普通士兵擔任。美軍必須逐一消滅側翼的日軍陣地，解除側翼威脅，才有可能向前推進，所以戰斗異常殘酷、激烈，直到3月2日，二十四團才攻上了高地，但所付出的傷亡是巨大的，有好幾個連的官兵非死即傷，幾乎全連覆沒。

左翼的五師，攻擊362高地的遭遇與四師在382高地如出一轍：剛攻上山頭，側翼日軍立即以密集火力封鎖美軍的退路，再以縱深火力和兇猛的反擊將攻上高地的美軍盡數消滅，美軍死傷枕籍，卻毫無收獲，只得先消滅最突出部的日軍陣地，再步步為營艱難向前推進。日軍早已掌握了美軍的攻擊程序，先是航空火力準備，再是艦炮火力轟擊，接著是地面炮火射擊，最后才是步兵沖擊，所以日軍總在坑道里躲過美軍的炮火，再進入陣地迎擊步兵的進攻，一次又一次粉碎了美軍的攻勢。美軍飽嘗失利的苦果，終于痛定思痛，改變戰術，3月7日拂曉，美軍沒進行任何炮火準備，借助黎明前的黑夜，悄然接近日軍陣地，突然發起沖擊，打了日軍一個措手不及，一舉攻占了362高地。

陸戰隊員的巨大犧牲并沒有白費，3月3日，就有一架C—47運輸機在硫磺島的一號機場降落。次日一架在空襲日本本土時受傷的B—29在硫磺島緊急降落，硫磺島的價值已經開始得到了體現。

3月7日，美軍發動總攻，擔負中央突破的陸戰三師勢如破竹，進展神速，遇到難以克服的日軍陣地就設法繞過去，繼續向前推進，盡管給后續的陸戰四師、五師留下不少“釘子”，但三師突破了日軍的防線，并于兩天后攻到了西海岸，占據了一段約800米長的海岸，將日軍分割為兩部分。陸戰三師二十一團一營最先殺到西海岸，作為戰績的證據，營長在一個軍用水壺里裝滿了海水，貼上：“只供檢驗不得飲用。”的標簽，派人送給師長厄金斯少將。

3月9日美軍占領了尚未完工的三號機場。粟林得知美軍突破了防線將日軍一分為二時，立即組織部隊進行反擊，他深知美軍火力強，正面進攻難以奏效，所以進行的是夜間滲透反擊。他命令部隊盡可能穿越美軍的防線，滲透到美軍后方重新打通兩翼聯系。美軍發現了日軍的行動，發射的照明彈將黑夜照得如同白晝，許多日軍越過了美軍的前沿防線，有的甚至滲透距離達1600米，但美軍預備隊和后方勤務人員，依托工事頑強抗擊，給予反擊日軍重大殺傷，天亮時，日軍的反擊被徹底粉碎，傷亡至少一千人，徒勞無功，反而損失了大量有生力量，給以后的作戰帶來極為不利的影響。

3月10日，陸戰三師將日軍防線截為兩段后，隨即開始向兩面擴張戰果，九團向東，二十一團向西，分別策應陸戰四師、五師的攻擊。盡管日軍的防御態勢已經相當不利，但日軍仍依托工事死戰不退，尤其是陸戰五師面對的是由粟林直接指揮的部隊，遭到的抵抗更為激烈，陸戰五師的傷亡超過75%，許多戰斗部隊失去了戰斗力，師部的文書、司機甚至炊事員等勤雜人員都投入了戰斗。三師、四師的傷亡也很嚴重，出于這種情況，陸戰四師師長克利夫頓?凱茲少將向粟林和硫磺島日軍中戰斗力最強的第一四五聯隊隊長池田大佐發出勸降信，信中首先向他們無畏精神和英勇作戰表示了尊敬，接著說明了目前無法取勝的處境，最后要求他們指揮所屬部隊停止抵抗，美軍將保證投降日軍根據《日內瓦公約》受到人道待遇。但勸降信如同石沉大海，沒有回音。

3月16日，東北部的800余日軍被殲滅，美軍于當日十八時宣布占領硫磺島，但戰斗仍在繼續，粟林指揮殘部依然在抵抗，有時戰斗還相當激烈。陸戰三師師長厄金斯少將找到兩名日軍戰俘，給了他們很多干糧，還配備了一部最新式的報話機，然后讓他們給粟林和池田帶去勸降信。這兩名戰俘將勸降信設法交給了池田大佐的傳令兵，但到了規定的時間期限，日軍仍未投降，這兩戰俘為美軍的人道主義待遇所感動，竟留在日軍防線里，通過報話機為美軍炮火指引目標，一直到18日才返回美軍戰線。

3月21日，日本天皇晉升粟林為大將軍銜，以表彰他的英勇作戰。

從16日美軍宣布占領硫磺島后又經過整整一周的激戰，24日美軍才將殘余的日軍壓縮在島北部約2100平方米的狹小范圍里。粟林于當晚焚毀了軍旗，發出了最后的訣別電報，然后銷毀密碼，準備實施最后的決死反擊。

3月25日，粟林派人設法通知島上每一個人，于夜間攜帶武器在三號機場附近的山區集合。

3月26日凌晨，粟林親自率領約350名日軍向二號機場的美軍發起了最后反擊，許多美軍在睡夢中被殺，天亮后，美軍組織掃蕩，四處追殺這股殘余日軍，激戰三小時，將這股日軍大部殲滅，日軍僅遺留在美軍陣地前的尸體就有250具，粟林負傷后切腹自殺，美軍傷亡172人。美軍于當天八時宣布硫磺島戰役結束，但清剿殘余日軍的戰斗一直持續到四月底。