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２月１６日，美军航母编队出动舰载机１０００余架次，分成数个攻击波对东京湾各机场进行攻击，由于天空中阴云低垂，攻击效果并不理想。
２月１７日，美军又出动两个攻击波舰载机５００余架次，对关东地区的机场、飞机制造厂、锚泊船舶等目标进行了轰炸。两天里，美军在空战中击落日机３３２架，在地面上击毁日机１７７架，给一些机场、飞机制造厂造成了一定破坏，这次空袭的效果不是很大，但却极大吸引了日军注意力。当天下午，美军航母编队离开日本外海南下，参加硫黄岛作战。
三
２月１４日，威廉·布兰迪海军少将率领由６艘战列舰、１２艘护航航母、５艘巡洋舰、１６艘驱逐舰组成的火力支援编队离开塞班岛前往硫黄岛。
２月１５日，美海军部长福雷斯特尔在尼米兹陪同下到达塞班岛，听取有关硫黄岛战役的汇报，并视察战役准备。大病初愈的登陆编队司令特纳，人称“短吻鳄”，汇报原计划对硫黄岛进行十天的炮火准备，因为军舰无法携带十天炮击的弹药，只能进行三天的炮击，但特纳表示对面积仅二十平方公里的小岛进行三天的炮击已经足够，炮火未能摧毁的防御将由登陆部队来完成。
２月１６日清晨，布兰迪的火力支援编队到达硫黄岛海域，开始实施预先火力准备。所有战列舰、巡洋舰都被划分了地段，对已查明的目标逐一摧毁。为确保炮击的准确，有几艘战列舰甚至在距岸边仅３０００米处对目标进行直接瞄准射击。但由于天气不佳，岛上又是硝烟弥漫，预定的７５０个目标只摧毁了１７个，炮击效果很不尽人意。日军只以部分中小口径火炮进行反击，击伤战列舰、巡洋舰各一艘，大口径火炮出于隐蔽考虑，一炮未发。
２月１７日，美军水下爆破队在１２艘登陆炮艇的掩护下探测海滩礁脉的航道，并清除水下的水雷和障碍物，粟林以为美军登陆在即，下令大口径火炮开火，将１２艘登陆炮艇击沉９艘，击伤３艘，艇员阵亡、失踪４４人，伤１５２人。美军大为震惊，岛上的日军竟然还有如此猛烈的火力，立即对这些刚暴露出的目标进行轰击。
从１６日至１８日三天里，美军除了舰炮火力外，护航航母的舰载机也全力出击，有的进行空中掩护；有的进行反潜警戒；有的观测校正弹着；有的向日军阵地投掷燃烧弹，烧掉日军阵地的伪装，使之暴露出来，以便于舰炮将其消灭。而塞班岛的轰炸机也频频前来助战，对硫黄岛进行轰炸。这三天中，硫黄岛几乎完全被美军火力轰击的硝烟所淹没，日军只得龟缩在坑道里无法活动。据统计，美军在登陆前共消耗炮弹、炸弹２４０００余吨，硫黄岛上平均每平方公里承受了１２００吨，但日军凭借坚固的地下工事，损失轻微。
四
１９４５年２月１９日六时，特纳率领的登陆编队到达硫黄岛海域，斯普鲁恩斯和米切尔指挥的航母编队也到达硫黄岛西北海域，此时，硫黄岛出现了少有的晴朗天气，天高云薄，微风轻拂。
六时四十分，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黄岛的航空火力准备。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。
登陆滩头在硫黄岛的东海滩，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。
八时三十分，第一波６８辆履带登陆车离开出发点，向滩头冲击。
八时五十九分，舰炮火力开始延伸射击。
九时正，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，粟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。
陆战五师因为比陆战四师晚了大约二十分钟遭到炮击，而且炮火相对比陆战四师遭受的要弱，所以先头的二十八团一营得以利用这一机会，穿越岛的最狭窄部，切断了折钵山与其他地区日军的联系，二营则随后向折钵山发起了攻击。陆战四师在日军猛烈炮火阻击下，几乎寸步难行。就在这样的危急时刻，美军的舰炮火力给了登陆部队以极其有力的支援，此次登陆，美军登陆部队每个营都配有舰炮火力控制组，能够及时召唤舰炮火力的支援，而空中的校射飞机也发挥了巨大作用，准确测定日军炮火位置引导舰炮将其消灭，可以说，在太平洋战争历次登陆战中，舰炮火力支援从没有像硫黄岛登陆战那样有效，在舰炮火力的大力支援下，美军登陆部队艰难向前推进，全天美军共消耗１２７毫米以上口径舰炮炮弹３８５５０发，火力支援之强，史无前例。
九时三十分，美军的坦克上岸，随即引导并掩护登陆部队攻击前进。本该发挥巨大作用的坦克，大都陷入火山灰，动弹不得，少数几辆也行动蹒跚，很快就成为日军反坦克炮的目标，被一一击毁。美军只能依靠士兵用炸药包和火焰喷射器，一步一步向前推进，而每一步都要付出惨重的代价。
十时三十分，美军已有８个步兵营和１个坦克营上岸，正竭力扩展登陆场。
十一时，风向转为东南，风力逐渐加大，给美军的登陆带来了很不利的影响，这时各团的预备队营正在登陆，许多登陆艇被强劲的阵风吹得失去控制，甚至倾覆，再加上日军炮火的轰击，滩头上到处都是损坏的登陆艇，而后续的物资和人员仍在按计划源源不断上岸，整个海滩一片混乱。但这样混乱的场景因尘土飞扬，硝烟弥漫，海面上的军舰根本看不清楚，特纳向尼米兹报告登陆部队几乎没遇到抵抗，伤亡轻微。
十二时许，美军陆战四师二十三团才前进了４５０米，接着继续在火力支援下攻击前进，直到十四时，才攻到一号机场。而四师的另一个团二十五团则被日军在蓝二滩东北的一个小艇专用港边悬崖上的大量永备发射点所阻，伤亡严重，却毫无进展，为摧毁这些永备发射点，美军使用了一种新的引导舰炮射击法：先以登陆艇向目标发射曳光弹，巡洋舰再根据曳光弹的弹着射击，效果极佳，到黄昏时分，终于消除了这些火力点的威胁，但二十五团在登陆当天几乎没有进展。陆战五师情况梢好，二十八团已割裂折钵山与其他地区日军的联系，将其包围起来；二十七团在海滩上被困四十分钟之后，终于取得了突破，推进到了一号机场南端。
日落时，美军已有６个步兵团、６个炮兵营和２个坦克营共约三万人上岸，占领了宽约３６００米，纵深从６５０米到１０００米不等的登陆场，全天有５６６人阵亡，１８５８人负伤，伤亡总数约占登陆总人数的８％。就第一天的战况而言，还不算太糟糕，但随后的战斗将更为艰巨。
天黑后，美军害怕日军发动大规模夜袭，海面上的军舰几乎不间断地向岛上发射照明弹，将黑夜照得如同白昼，出乎意外的是，日军通常会在登陆的当天夜间发动的夜袭根本没有，除了一些小股日军的袭扰外，太平无事。这是因为粟林深知自己的实力，坚决不采取自杀性的冲锋。度过了第一个平安的夜晚后，迎接美军的将是更为残酷的战斗。
２月２０日，从凌晨开始，美军舰炮就根据登陆部队的要求进行火力准备。八时三十分，美军登陆部队发起了进攻，陆战四师在舰炮和坦克支援下，攻占了一号机场，并切断了岛南日军与元山之间的联系。机场刚刚被攻占，工兵就开始全力抢修，以便尽快能投入使用。陆战五师向折钵山攻击，由于日军很多工事都建在舰炮火力无法射击到的岩洞中，在坦克到来前，二十八团几乎无法前进，最后在坦克掩护下，以手榴弹、炸药包、火焰喷射器逐一消灭岩洞中的日军，有时甚至出动推土机将洞口封闭，因此进展极为缓慢，直到黄昏，才总共前进了１８０米。
２月２１日，岛上的激战仍在继续，进展十分有限。海滩勤务大队经过不懈的努力，解决了滩头的混乱局面，天气却愈加恶劣，海上风大浪高，严重影响了补给品的卸载。由于岛上的部队伤亡较大，作为预备队的陆战三师二十一团奉命上岛投入战斗。
２月２２日，因大雨美军登陆部队被迫停止进攻，抓紧进行战地休整。由于三天来，美军在硫黄岛上阵亡、失踪人数已达１２０４人，负伤４１０８人。美国国内的新闻界甚至强烈要求“让陆战队喘口气”给日本人放毒气。
诚然，对付隐藏在坑道或岩洞中的日军，毒气既实用，又比火焰喷射器更为“仁慈”，尽管美、日两国都没有签署严禁使用毒气的《日内瓦公约》，但罗斯福总统和尼米兹都不愿违反公约，战后尼米兹承认，没有使用毒气完全是出于道义的考虑，结果使大量优秀的陆战队员付出了生命。
２月２３日，美军陆战四师以二号机场为目标发起总攻，但在日军永备发射点、坑道、地堡和岩洞工事组成的防线前，推进极为缓慢，简直像蜗牛爬行。全天，只有右翼前进了约３００米，左翼和中间几乎毫无进展。
这天唯一的战果是在折钵山，美军因其不断喷发烟雾，称之为“热岩”，日军几乎将整座山掏空，修筑有数以千计的火力点，尤其是山顶的观察哨，居高临下俯瞰整个东海岸，能准确指引、校正纵深炮火的射击，对于美军威胁极大。经四天血战，十时二十分，陆战五师二十八团由哈罗得·希勒中尉率领的４０人组成的小分队，终于攻上了折钵山山顶，升起了一面美国国旗。尽管折钵山上，仍有近千日军凭借着坑道和岩洞工事拼死抵抗。四小时后，希勒的士兵又插起了一面更大的星条旗，美联社记者乔·罗森塔尔将插旗时的情景拍摄下来，这张照片随即广为流传，成为胜利的象征。后来太平洋战区总部还专门查询插旗的陆战队员姓名和家庭地址，进行表彰。刚赶到硫黄岛视察的美国海军部长福雷斯特尔和第五两栖军军长史密斯注视着在折钵山山顶飘扬的国旗，非常激动，福雷斯特总结到：“折钵山升起的国旗意味着海军陆战队从此后五百年的荣誉！”海面上军舰上的水兵看到这面象征胜利的旗帜，欢声雷动！
特纳将陆战五师二十八团留在折钵山，负责肃清山上的日军，而五师的另两个团则调到北部，协同四师攻击元山地区的日军。
同日，美军的航母编队在硫黄岛以东海域与海上勤务大队会合，接受海上补给，当晚再次向日本本土进发，以压制日军可能对硫黄岛的支援。
２月２４日，战斗殊为激烈，陆战三师二十一团在海空火力的大力支援下，由坦克开道，终于突破了日军在二号机场南侧的防线，推进７３０米，拔除了日军近８００个碉堡，日军随即发动了一次逆袭，二十一团猝不及防，一度被迫后退，随后在舰炮支援下拼死反击，才将阵地巩固。很快美军就发现，随着逐渐升高的地形，日军构筑了密如蚁穴的地堡和纵横交错的坑道网，凭借着这些工事抵抗是越来越顽强。至当天，美军伤亡总数已达６０００人，其中阵亡１６００人，面对如此惨重的伤亡，美军将作为预备队的陆战三师师部和陆战第九团、野战炮兵第十二团送上岛，投入战斗。
２月２５日，三个陆战师在硫黄岛并肩开始攻击，四师在右，三师居中，五师在左，并列向东北推进。
同一天拂晓，美军的航母编队到达距东京东南１９０海里海域，出动舰载机对东京地区的日军机场和飞机制造厂进行空袭，和第一次空袭一样，因为天气恶劣，轰炸效果并不理想，米切尔随后指挥航母编队转向西南，前去突击冲绳岛。于３月１日对冲绳首府那霸进行了空袭，同时对冲绳岛、庆良间列岛和奄美大岛等地进行了航空摄影，为即将开始的冲绳战役提供资料。航母编队最后于３月４日返回了乌利西。
３月１日，美军经过激烈的鏖战，终于攻占了二号机场和元山村。
硫黄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军交叉火网，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军阵地，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。
左翼的五师，攻击３６２高地的遭遇与四师在３８２高地如出一辙：刚攻上山头，侧翼日军立即以密集火力封锁美军的退路，再以纵深火力和凶猛的反击将攻上高地的美军尽数消灭，美军死伤枕籍，却毫无收获，只得先消灭最突出部的日军阵地，再步步为营艰难向前推进。日军早已掌握了美军的攻击程序，先是航空火力准备，再是舰炮火力轰击，接着是地面炮火射击，最后才是步兵冲击，所以日军总在坑道里躲过美军的炮火，再进入阵地迎击步兵的进攻，一次又一次粉碎了美军的攻势。美军饱尝失利的苦果，终于痛定思痛，改变战术，３月７日拂晓，美军没进行任何炮火准备，借助黎明前的黑夜，悄然接近日军阵地，突然发起冲击，打了日军一个措手不及，一举攻占了３６２高地。
陆战队员的巨大牺牲并没有白费，３月３日，就有一架Ｃ－４７运输机在硫黄岛的一号机场降落。次日一架在空袭日本本土时受伤的Ｂ－２９在硫黄岛紧急降落，硫黄岛的价值已经开始得到了体现。
３月７日，美�