在日本偷袭珍珠港时，日军在关岛有一个将近3800人的军事基地和一个1400人的海军基地。驻有水上飞机、电台、气象站、猎潜舰、布雷舰等舰艇。在硫磺岛有一个飞机场，有20架战斗机和1500名海军驻扎在这里。
1944年2月，当美军占领马绍尔群岛后，日军加强了硫磺岛的军事力量，在硫磺岛上的军事力量达到5000人，13门火炮，200挺轻重机枪，4552支步枪，12架高射炮，30挺25毫米口径2联装高射机枪，此外还有120毫米口径的火炮。硫磺岛和小笠原诸岛成为防止美军空袭日本本土的最后一道防线。因为当时日本已经丧失了制海和制空权。
1944年4月，硫磺岛上还驻有80架战斗机，但到了1944年7月仅剩下4架，美国海军到了硫磺岛目视范围内，一次全面的轰炸，炸毁了硫磺岛上所有的建筑物和仅存的4架飞机。但美军尚没有对丧失了海空支持的硫磺岛展开攻击，而日本则只余下地面部队能使用。
战前美日双方的准备
1944年10月初，美国太平洋舰队司令部的参谋人员就将进攻硫磺岛的计划制定出来，参加作战的地面部队为第5两栖军，下辖海军陆战队第3、4、5师，共约6万人，由霍兰史密斯中将指挥；登陆编队和支援编队，由凯利特纳中将指挥；米切尔中将指挥的第58特混编队负责海空掩护；所有参战登陆舰艇约500艘，军舰约400艘，飞机约2000架，由第五舰队司令斯普鲁恩斯上将统一指挥。
由于参战部队中相当部分正在支援对吕宋岛的登陆作战，硫磺岛战役只得等吕宋岛战役结束后的1945年1月才能开始，又因为吕宋岛战役进展缓慢，结束的日期从计划的1944年12月20日推迟到了1945年1月9日，尼米兹再将硫磺岛的作战推迟到1945年2月中旬。
在1944年前，日军仅仅把硫磺岛作为太平洋中部与南部的航空中继基地，只部署了海军守备部队1500余人和飞机20架。1944年马里亚纳群岛失守后，硫磺岛的重要性日趋明显，日军才开始大力加强其防御力量，1944年3月下旬将4000余陆军部队送上岛；5月将硫磺岛的陆军部队整编为第109师团，由栗林忠道中将任师团长，并在岛上配备了120、155毫米岸炮、100毫米高射炮和双联装25毫米高射炮；7月海军第27航空战队也调至岛上。截止1945年2月，日军在岛上陆军约1.5万余人，海军约7000余人，共约2.3万人，飞机30余架，由栗林统一指挥。日军在岛上的中部高地和元山地区各建有一个机场，分别叫做千岛机场和元山机场，也叫一号机场和二号机场，并在二号机场以北建造第三个机场。由于美军迅速攻占了马里亚纳群岛，原计划运往马里亚纳群岛的人员、装备和物资都被就近转用于硫磺岛，尽管美军组织飞机、潜艇全力出击，企图切断硫磺岛的增援和补给，但日军以父岛为中转站，采取小艇驳运的方式，因此美军的封锁效果并不理想。
由于日军的海空军主力在菲律宾战役中遭到了毁灭性的打击，已无力为硫磺岛提供海空支援，硫磺岛的抗登陆作战是要在几乎没有海空支援的情况下进行。栗林曾担任过天皇警卫部队的指挥官，他的苦心经营，确实给美军造成了巨大的困难，使硫磺岛之战成为太平洋上最残酷、艰巨的登陆战役。
每天出动战机轰炸硫磺岛
从1944年8月10日起，驻扎在塞班岛的美军航空兵就开始对小笠原群岛进行空袭，重点是硫磺岛的机场和为硫磺岛进行物资补给的中转地父岛的港口设施。从8月至10月，共进行过48次轰炸，投弹约4000吨，但收效甚微。
1944年11月24日，塞班岛的美军首次出动B-29超级空中堡垒轰炸机对日本本土实施轰炸，引起了日军极大的恐惧，并随即作出反应，3天后即1944年11月27日，硫磺岛上的日军出动了2架飞机空袭塞班岛美军B-29航空基地，击毁B-29一架，击伤十一架。随后的日子里，硫磺岛上的日军又多次组织对塞班岛美军航空基地的空袭，至1945年1月2日，已累计击毁B-29六架，严重威胁着美军B-29航空基地的安全。为压制硫磺岛日军飞机的袭扰，美军于1944年2月8日组织了一次海空协同突击，出动飞机192架次，其中B-29重轰炸机62架次，B-24中型轰炸机102架次、重巡洋舰3艘、驱逐舰7艘，共投掷炸弹814吨，发射203毫米炮弹1500发、127毫米炮弹5334发，这样猛烈的轰击，却并未彻底摧毁硫磺岛机场，仅仅起了短暂的压制作用。自这次海空协同突击后，美军在1944年2月间又组织了四次类似的海空联合突击。
1945年2月9日起，由黑尔少将指挥的第七航空队B-24轰炸机只要天气允许，几乎每天出动对硫磺岛进行轰炸。
1945年2月19日开始登陆战
1945年2月19日凌晨6时，特纳率领的登陆编队到达硫磺岛海域，斯普鲁恩斯和米切尔指挥的航母编队也到达硫磺岛西北海域，此时，硫磺岛出现了少有的晴朗天气，天高云薄，微风轻拂。
6时40分，美军舰炮支援编队的7艘战列舰、4艘重巡洋舰和13艘驱逐舰开始直接火力准备，航母编队一边担负空中掩护，一边出动舰载机参加对硫磺岛的航空火力准备。这次火力准备，时间虽短，但因为天气晴朗，目标清晰可见，效果比较理想。
登陆部队海军陆战队三个师，以陆战第四、第五师为一梯队，陆战三师为预备队，在直接火力准备的同时，第一批登陆部队八个营完成了换乘。
登陆滩头在硫磺岛的东海滩，从折钵山山脚下沿海岸向东北延伸，总长3150米，从南到北依次每450米划分为一个登陆滩头，代号分别是绿一、红一、红二、黄一、黄二、蓝一、蓝二。陆战五师在南端的三个滩头登陆，穿越岛的最狭窄部，孤立或攻占岛南的折钵山，陆战四师则在北面的四个滩头登陆，攻击一号机场。
8时30分，第一波68辆履带登陆车离开出发点，向滩头冲击。
8时59分，舰炮火力开始延伸射击。
9时整，部队准时开始登陆，一开始非常顺利，日军的抵抗十分微弱，只有迫击炮和轻武器的零星射击，美军遇到的最大阻碍是岸滩上的火山灰，由于岸滩全是火山灰堆积而成，土质松软异常，履带登陆车全部陷在火山灰中，难以前进，后面的登陆艇一波接一波驶上岸，却被这些无法动弹的履带登陆车阻挡，根本无法抢滩登陆，艇上的登陆兵只好涉水上岸。见日军只有零星的轻武器射击，特纳甚至认为照此发展，只需五天就可占领全岛。但好景不长，登陆的美军才推进了二百余米，日军等美军炮火开始延伸，栗林就下令从坑道进入阵地，根据事先早已测算好的数据，日军炮火准确覆盖了登陆滩头，一时间，美军被完全压制在滩头，伤亡惨重，前进受阻。
有时一整天只前进4米
1945年1月，“密苏里”号战列舰加入了美国海军太平洋舰队。同年1945年2月19日，美军发动了硫磺岛登陆战役。“密苏里”号战列舰跟随美国母航特混舰队，参加硫磺岛登陆战役。驻守硫磺岛的日军进行了顽强抵抗，美国海军登陆部队伤亡很大。“密苏里”号用舰上强大炮火，支援美军登陆部队。在美海军航空母舰和战列舰的强大火力支援下，使美军登陆部队登上岛屿，于1945年3月16日占领硫磺岛。
硫磺岛上的美军每前进一步，都要付出巨大的代价，战斗已经成为不折不扣的消耗，有时一整天只前进4米，惨重的伤亡甚至使军官们都没有勇气再将士兵投入战斗。在对岛上第二制高点382高地的争夺中，陆战四师屡屡陷入日寇交叉火网，伤亡极其惨重，382高地因此被称为“绞肉机”,战斗部队的伤亡高达50%以上，有经验的连、排长和军士长伤亡殆尽，许多连队连长由少尉或上士担任，而排、班长大都由普通士兵担任。美军必须逐一消灭侧翼的日寇阵地，解除侧翼威胁，才有可能向前推进，所以战斗异常残酷、激烈，直到1945年3月2日，二十四团才攻上了高地，但所付出的伤亡是巨大的，有好几个连的官兵非死即伤，几乎全连覆没。
陆战队员的巨大牺牲并没有白费，1945年3月3日，就有一架C-47运输机在硫磺岛的一号机场降落。次日一架在空袭日本本土时受伤的B-29在硫磺岛紧急降落，硫磺岛的价值已经开始得到了体现。
1945年3月7日，美军发动总攻，担负中央突破的陆战三师势如破竹，进展神速，遇到难以克服的日军阵地就设法绕过去，继续向前推进，尽管给后续的陆战四师、五师留下不少“钉子”,但三师突破了日军的防线，并于两天后攻到了西海岸，占据了一段约800米长的海岸，将日军分割为两部分。
1945年3月9日美军占领了尚未完工的三号机场。
3月10日，陆战三师将日军防线截为两段后，随即开始向两面扩张战果……3月16日，东北部的800余日军被歼灭，美军于当日十八时宣布占领硫磺岛，但战斗仍在继续，残余日军的战斗一直持续到4月底。
海战和日军的反扑
硫磺岛的日军在殊死抵抗的同时，日本海军联合舰队由于主要的水面舰只在菲律宾莱特湾海战中损失殆尽，残余军舰因为燃料不足，也无力组织救援。能够出动增援的就只有岸基航空兵和潜艇部队了，但岸基航空兵的第一、第二航空舰队基本丧失了战斗力，第三航空舰队还在训练中，而且是准备在本土保卫战中使用，因此，日军大本营决定尽量避免损失，只以少量飞机和潜艇实施“特攻作战”,以最小代价换取最大战果。
1945年2月19日，日军在香取基地成立了以自杀飞机为主体的“第二御盾特别攻击队”,专门担负特攻使命。
与此同时，日军神风敢死队的自杀飞机还攻击了硫磺岛以东的美军舰艇，一架日机撞上了“俾斯麦海”号护航航母的后升降机，并在机库里爆炸，立即引爆了机库里的飞机，大火迅速蔓延，很快波及了弹药舱，引发了大爆炸，舰长见无法挽回，只得下令弃舰。该舰燃烧了足足三小时，才沉入海中。舰上水兵伤亡约350人。被日军自杀飞机击伤的还有“隆加角”号护航航母、477号和809号坦克登陆舰、“基厄卡克”号运输船。
1945年2月28日，日军又以伊-58号和伊-36号潜艇各携带四条人操鱼雷组成代号为“神武”的特攻队，分别于1945年3月1日和2日从吴港出发，但到了1945年3月6日，日军统帅部见硫磺岛大势已去，这才命令在硫磺岛海域活动的潜艇全部撤出。
两军伤亡及伤亡情况分析
硫磺岛战役，日军守备部队阵亡22305人，被俘1083人，共计23388人。日军其他损失为飞机90余架，潜艇三艘。
美军从1945年2月19日至1945年3月26日，阵亡6821人（其中陆战队阵亡5324人），伤21865人，伤亡共计28686人。
美军登陆部队伤亡人数占总人数的30%,陆战三师的战斗部队伤亡60%,而陆战四师、五师战斗部队的伤亡更是高达75%,第五两栖军几乎失去了战斗力。此次战役中，海军陆战队的伤亡之高也是其在太平洋战争中绝无仅有的，战后，尼米兹对参加过硫磺岛战役的陆战队员给予了高度的赞扬：“在硫磺岛作战的美国人，非凡的勇敢是他们共同的特点！”
美军还有一艘护航航母被击沉，航母、登陆兵运输舰、快速运输舰、中型登陆舰、扫雷舰、运输船各一艘、坦克登陆舰两艘被击伤。
美军为攻占硫磺岛所付出的人员伤亡比日军还多，这是太平洋战争中，登陆一方的伤亡超过抗登陆方的唯一战例，日军在失去海空支援，又没有增援补给的情况下，以地面部队凭借坚固而隐蔽的工事，采取正确的战术，进行了顽强的抵抗，使美军原计划5天攻占的弹丸小岛，足足打了36天，并付出了惨重的人员伤亡。美军在此次作战中唯一闪光之处就是舰炮支援比较得力，共发射各种口径炮弹30余万，计1.4万吨，取得了较好的效果，有力支援了登陆部队的作战。
但美军的巨大代价很快就得到回报，当美军登陆后，工兵部队就上岛抢修扩建机场，至1945年4月20日，上岛的工兵部队已有7600人，将一号机场跑道扩建为3000米，二号机场的跑道扩建为2100米，不仅进驻了战斗机部队，还成为美军B-29轰炸机的应急备降机场。美军战斗机部队进驻硫磺岛后，其作战半径就覆盖了日本本土，能有效掩护轰炸机对日本本土的战略轰炸，使对日轰炸愈加频繁和激烈，并将轰炸效果提高了一倍以上，大大加速了日本的崩溃。硫磺岛上应急备降场至战争结束，累计共有2.4万架次受伤或耗尽燃料的B-29在此紧急降落，从而挽救了这些飞机上2.7万名空勤人员。
情报失误致使伤亡惨重
1945年2月至1945年3月，日军和美军为争夺硫磺岛进行了一场激战，这就是第二次世界大战中太平洋战场上最激烈的一场战斗--硫磺岛战役。在这个仅8公里长、4公里宽的小岛上，美军苦战一个多月，虽然取得了最后的胜利，但也付出了巨大代价：一共伤亡28686人，其中死亡6821人，这是太平洋战争中美军死亡人数最多的战役。在这场战役中美军之所以伤亡惨重，除了日军具有坚固的防御工事和狂热的死拼到底的军国主义精神，美军情报机构对硫磺岛日军作战能力的错误评估也是重要原因。由于美军情报部门低估了日军的人数、武器装备以及防守能力，造成了美军在绝对优势兵力情况下付出了极其惨重的代价。
战役造成的影响
1945年2月23日，美国海军陆战队第5师第28团哈罗德·希勒中尉率领的一支44人的小分队，一路血战，上午10时30分，终于冲上了硫磺岛制高点--拆钵山山顶。他们随即决定升起美国国旗。乔。罗森塔尔知道此消息便大喊着冲上了折钵山，可是国旗已经升上去了，此时岛上战事正酣这面星条旗大大地鼓舞了美军的士气。为了让更多的人看到山顶的旗帜，他们决定换一面更大的国旗。于是，指挥员命令779号坦克登陆舰紧急将一面更大的国旗送上岸。希勒中尉小分队中的6名官兵奋力将这面大旗插上山顶。这一激动人心的场面正好被错失上次良机的美联社记者乔。罗森塔尔拍了下来。
硫磺岛上的全体美军将士在这面国旗的鼓舞下，士气大振，浴血奋战，最终取得了硫磺岛战役的胜利。
硫磺岛，不仅使美军获得了轰炸日本本土的重要基地，还打开了直接攻击日本本土的通道。
而美军在硫磺岛的惨重伤亡，也使美军的高层意识到如果进攻日本本土，一定会遇到比在硫磺岛更顽强的抵抗，美军的伤亡将会更惨重，因此，日后美国对日本使用原子弹，很大程度上是出于担心在日本本土登陆将会遭到硫磺岛那样的巨大伤亡。
