美军攻占菲律宾的主要地区后，为了进一步向日本本土逼近，决定于1945年2月开始进攻硫黄岛。还在进行马里亚纳群岛登陆战役时，日军大本营就将硫黄岛划归东京直接指挥。该岛上已有两个机场，正在修建第3个机场。防守硫黄岛的日军主力，是其陆军第109师团以及海军第27航空战队和硫黄岛警备队等，共约2．1万人，由栗林中道陆军中将统一指挥。栗林决心将面积仅为8平方英里的硫黄岛变成一个坚固的要塞。为此，在岛上大力构筑地下工事，共开凿18公里的坑道，构筑730多个永备发射点。各阵地以混凝土工事和天然岩洞结合，相互连通，形成一个完整的防御体系。他们所采用的基本战术是，以纵深防御为主，滩头防御为辅。美军进攻硫黄岛的战役，由尼米兹的太平洋战区组织实施，其参战兵力包括海军陆战队的3个师(第第3、第4、第5师)、共11万余人，登陆舰艇近500艘、战斗舰艇400余艘、各种飞机2000余架，由第5舰队司令斯普鲁恩斯统一指挥。
美第7航空队自1944年12月8日至1945年2月15日，每天派遣“解放者”式重轰炸机从马里亚纳起飞对硫黄岛进行空袭。不过，由于往返航程太远。不能使用战斗机伴随护航，无法实施精确轰炸，所以收效甚微，反而促使日军拼命修筑地下工事。为了切断硫黄岛与后方的联系，美军还派“米切尔”式中型轰炸机频繁出击，袭击接近和进入该地的日本舰船，然而并不能完全阻止各种补给物资运到岛上。
尼米兹认为，要想孤立硫黄岛，必须使用航空母舰的舰载机去轰炸东京地区。于是，米切尔海军中将率领快速航母特混编队(航空母舰17艘、战列舰8艘、巡洋舰16艘、驱逐舰77艘，共搭载飞机1170架)于1945年2月10日从乌利西锚地出发，2月16日晨驶抵东京东南125海里水域，派出舰载机对东京地区的机场、飞机制造广等重要目标进行了空袭。至17日，共出动飞机700余架次，虽然未给日本造成严重破坏却把日军的注意力从硫黄岛一时吸开。布兰迪海军少将率领的火力支援编队(旧式战列舰6艘、巡洋舰5艘、驱逐舰15艘、护航航空母舰12艘)便利用这一时机驶近该岛，以舰载机与舰炮密切配合，开始进行预先火力准备。除此之外，还从马里亚纳起飞岸基航空兵压制岛上日军。米切尔的快速航母特混队空袭东京地区后立即南撤，也赶来对硫黄岛进行轰炸。经过上述火力准备，岛上的地面阵地多被摧毁，但守岛日军已撤入离地面较深的掩蔽部中，并未受到多大伤害。与此同时，美军的登陆输送队正在希尔海军少将的率领下向登陆地域接近。
2月19日晨，载运海军陆战第4、第5师的46艘运输舰驶抵硫黄岛东南海岸附近开始换乘。8时30分，由68辆履带登陆车组成的第1波离开出发线，分别向正面3000余米的7个海滩冲击。9时许，第1波开始抵岸，后续各波依次跟进。但一接近岸滩，就陷入了困境。这里除有陡峭的高地挡住履带登陆车的进路外，岸滩均为火山灰堆积而成，土质特别松软，经不住车辆的轧压。因此，前行的许多履带登陆车已陷在泥土里，不能前进；后续各波多被挡住，不能抢滩。登陆兵只好涉水上岸。尽管如此，约至10时30分，已有8个步兵营和1个坦克营登上岸滩。
登陆兵上岸的最初一段时间，仅仅受到轻武器以及小口径火炮的零星射击。但当美军的舰炮火力刚一开始向后面延伸，守军就迅速回到规定的抗登陆阵地，对登陆兵进行阻击。从右面岸滩登陆的海军陆战第4师，在该岛东北部南面的高地附近受阻，19日一整天几乎不得前进。9时30分后，坦克部队开始登陆。有些坦克因触上地雷而不能动弹，另一些坦克被日军的反坦克武器击毁。还有一些坦克以火焰喷射器和75毫米火炮在前面开路，摧毁所遇到的日军发射点，引导和掩护一部分登陆兵向1号机场方向推进。从左面岸滩登陆的陆战第5师，指派部分兵力穿过一段狭窄地域，终于对该岛南端的摺钵山造成包围之势。至当日日终，约有3万名登陆兵上岸，其中已有570余人战死，1800余人负伤。
2月20日，从中部海滩登陆的美军部队，在坦克兵的有力支援下，占领了登陆地域附近的1号机场。陆战第5师第28团用手榴弹、炸药包、火焰喷射器等一一爆破和封锁了摺钵山上各防御工事的洞口，至23日近中午时才勉强攻上了这个山顶。但在一些岩洞和坑道内还有上千名守军未被消灭，所以这个团仍须留在该地区继续战斗，而第5师的另两个团便转移到右翼，协同第4师对东北高地发动突击。由于伤亡较重，担任预备队的海军陆战第3师也于2月24日奉命上岸，开始投入战斗。
从2月25日起，陆战第4师在右翼，第3师在中间，第5师在左翼，并列向北推进。3月1日，美军攻占了该岛中部的2号机场和元山地区。至3月9日，已将守军压缩到该岛北部和东北部两个狭小地域。3月16日，退守东北部的日军被歼。美军虽于16日18时宣布硫黄岛已被占领，其实退守该岛北端的日军，在栗林司令官的指挥下仍在顽抗。3月26日拂晓，栗林率领其残存部队数百人实施最后一次反击。双方激战3小时余，美军伤亡170余人，日军大部被歼。
在这次战役过程中，舰炮对登陆兵的持续火力支援比较得力，共发射各种炮弹30余万发，达1．4万余吨。快速航空母舰和护航航空母舰也积极提供空中掩护与支援，共击毁日机90余架(美方报道)，还在硫黄岛附近击沉2艘日本潜艇(“吕－43”号和“伊－368”号)。但日机(主要是自杀飞机)也将美军的航空母舰“萨拉托加”号、登陆兵运输舰、登陆物资运输舰、快速运输舰、中型登陆舰、快速扫雷舰等各击伤1艘(指30天以上不能作战的)，还将“俾斯麦海”号护航航航空母舰击沉。
在这次战役中，登陆一方的伤亡人数超过了抗登陆一方：日军死19900人，伤1033人，被俘约200人；美军死6821人，伤21865人。这是一次对已被孤立的岛屿进行的登陆作战。日军在失去海空支援，而且也无法得到后援的情况下，主要依靠陆上兵力，利用坚固而隐蔽的工事进行顽抗。美军原计划用5天攻下硫黄岛，实际上却打了36天。美军占领硫黄岛，为其航空部队空袭日本本土提供了得力的中间基地。从此以后，从马里亚纳起飞的“超级空中堡垒”式重轰炸机便可在以硫黄岛为基地的战斗机的掩护下，更加有效地袭击日本本土了。