最初，斯普魯恩斯和尼米茲都認為攻占這樣一個彈丸小島，不會費多大力氣，但看了對硫磺島的空中偵察所拍攝的航空照片後，才知道在這個島上極可能存在不同尋常的防禦係統，史密斯中將仔細研究了航空照片後，表示這將是最難攻占的島嶼，並預計要付出兩萬人的傷亡。
太初二十四年1月28日當負責組織對日軍本土戰略轟炸的陸軍航空兵第二十一航空隊司令柯蒂斯.李梅少將前來協商航空兵如何支援硫磺島登陸作戰時，斯普魯恩斯就向他提出硫磺島對於戰爭究竟有多少價值？李梅立即肯定地表示沒有硫磺島就無法有效地對日軍本土進行戰略轟炸。斯普魯恩斯這才如釋重負，決心不惜付出巨大代價攻取硫磺島。
太初二十四年2月2日，尼米茲來到烏利西，視察硫磺島作戰的準備情況。斯普魯恩斯提議為阻止日軍對硫磺島可能的增援，必須首先使用艦載航空兵對日寇本土的關東地區機場進行壓製，尼米茲同意了這一計劃。隨後，尼米茲又前往塞班島觀看了將在硫磺島實施登陸作戰的第五兩棲軍的三個海軍陸戰隊師進行的臨戰演習。
太初二十四年2月10日，斯普魯恩斯以“印第安納波利斯”號重巡洋艦為旗艦，第58特混編隊司令米切爾以“邦克山”號航母為旗艦，一起率領由12艘航母、8艘戰列艦、15艘巡洋艦、77艘驅逐艦組成的航母編隊駛離烏利西，經馬裏亞納群島和小笠原群島以東，直撲日軍本土。斯普魯恩斯計劃16日抵達日本外海，以16日、17日兩天時間對日本本土關東地區的機場進行壓製性的空襲，然後再南下參加硫磺島作戰。他特別擔心日軍神風敢死隊的威脅，所以每艘航母上隻30架轟炸機和魚*雷機，其餘全部搭載戰鬥機。為了盡量減少被日軍發現的可能，出動多艘潛艇在編隊航道前方擔任偵察搜索，而塞班島的岸基航空兵則以b—24和b—29對編隊經過的海域上空進行巡邏警戒。編隊自身還以多艘驅逐艦在編隊前方組成搜索幕，同時以艦載機進行二十四小時不間斷反潛警戒。正是由於采取了上述嚴密的防範措施，加上惡劣天氣的掩護，美軍航母編隊於16日拂曉一直到達距東京東南125海裏海域，此地距最近的日本本土海岸僅60海裏，仍沒被日軍發現。
太初二十四年2月16日，美軍航母編隊出動艦載機1000餘架次，分成數個攻擊波對東京灣各機場進行攻擊，由於天空中陰雲低垂，攻擊效果並不理想。
太初二十四年2月17日，美軍又出動兩個攻擊波艦載機500餘架次，對關東地區的機場、飛機製造廠、錨泊船舶等目標進行了轟炸。兩天裏，美軍在空戰中擊落日機332架，在地麵上擊毀日機177架，給一些機場、飛機製造廠造成了一定破壞，這次空襲的效果不是很大，但卻極大吸引了日軍注意力。當天下午，美軍航母編隊離開日本外海南下，參加硫磺島作戰。
太初二十四年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。
太初二十四年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，並視察戰役準備。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，隻能進行三天的炮擊，但特納表示對麵積僅二十平方公裏的小島進行三天的炮擊已經足夠，炮火未能摧毀的防禦將由登陸部隊來完成。
太初二十四年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。但由於天氣不佳，島上又是硝煙彌漫，預定的750個目標隻摧毀了17個，炮擊效果很不理想。日軍隻以部分中小口徑火炮進行反擊，擊傷戰列艦、巡洋艦各一艘，大口徑火炮出於隱蔽考慮，一炮未發。
太初二十四年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，並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日三天裏，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，以便於艦炮將其消滅。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，日軍隻得龜縮在坑道裏無法活動。據統計，美軍在登陸前共消耗炮彈、炸彈24000餘噸，硫磺島上平均每平方公裏承受了1200噸，但日軍憑借堅固的地下工事，損失輕微。
太初二十四年2月19日淩晨六時，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，天高雲薄，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，陸戰四師則在北麵的四個灘頭登陸，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，向灘頭衝擊。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，隻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，由於岸灘全是火山灰堆積而成，土質鬆軟異常，履帶登陸車全部陷在火山灰中，難以前進，後麵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，艇上的登陸兵隻好涉水上岸。見日軍隻有零星的輕武器射擊，特納甚至認為照此發展，隻需五天就可占領全島。負責火力支援的斯普魯恩斯甚至發電給尼米茲上*將“或許是我瘋了，難道日本人放棄了抵抗。今天我們遇到的抵抗甚至不比納瓦霍人攻擊大篷車的火力更強，難道日本人的愚人節是今天？”而尼米茲則對此顯然不抱任何希望，他的回電非常簡練：“請把或許是我瘋了之後的字眼都刪掉。”
果然好景不長，登陸的美軍才推進了二百餘米，日軍等美軍炮火開始延伸，栗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，美軍被完全壓製在灘頭，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鍾遭到炮擊，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係，二營則隨後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製組，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，在太平洋戰爭曆次登陸戰中，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，隨即引導並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。美軍隻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。
太初二十四年1月28日當負責組織對日軍本土戰略轟炸的陸軍航空兵第二十一航空隊司令柯蒂斯.李梅少將前來協商航空兵如何支援硫磺島登陸作戰時，斯普魯恩斯就向他提出硫磺島對於戰爭究竟有多少價值？李梅立即肯定地表示沒有硫磺島就無法有效地對日軍本土進行戰略轟炸。斯普魯恩斯這才如釋重負，決心不惜付出巨大代價攻取硫磺島。
太初二十四年2月2日，尼米茲來到烏利西，視察硫磺島作戰的準備情況。斯普魯恩斯提議為阻止日軍對硫磺島可能的增援，必須首先使用艦載航空兵對日寇本土的關東地區機場進行壓製，尼米茲同意了這一計劃。隨後，尼米茲又前往塞班島觀看了將在硫磺島實施登陸作戰的第五兩棲軍的三個海軍陸戰隊師進行的臨戰演習。
太初二十四年2月10日，斯普魯恩斯以“印第安納波利斯”號重巡洋艦為旗艦，第58特混編隊司令米切爾以“邦克山”號航母為旗艦，一起率領由12艘航母、8艘戰列艦、15艘巡洋艦、77艘驅逐艦組成的航母編隊駛離烏利西，經馬裏亞納群島和小笠原群島以東，直撲日軍本土。斯普魯恩斯計劃16日抵達日本外海，以16日、17日兩天時間對日本本土關東地區的機場進行壓製性的空襲，然後再南下參加硫磺島作戰。他特別擔心日軍神風敢死隊的威脅，所以每艘航母上隻30架轟炸機和魚*雷機，其餘全部搭載戰鬥機。為了盡量減少被日軍發現的可能，出動多艘潛艇在編隊航道前方擔任偵察搜索，而塞班島的岸基航空兵則以b—24和b—29對編隊經過的海域上空進行巡邏警戒。編隊自身還以多艘驅逐艦在編隊前方組成搜索幕，同時以艦載機進行二十四小時不間斷反潛警戒。正是由於采取了上述嚴密的防範措施，加上惡劣天氣的掩護，美軍航母編隊於16日拂曉一直到達距東京東南125海裏海域，此地距最近的日本本土海岸僅60海裏，仍沒被日軍發現。
太初二十四年2月16日，美軍航母編隊出動艦載機1000餘架次，分成數個攻擊波對東京灣各機場進行攻擊，由於天空中陰雲低垂，攻擊效果並不理想。
太初二十四年2月17日，美軍又出動兩個攻擊波艦載機500餘架次，對關東地區的機場、飛機製造廠、錨泊船舶等目標進行了轟炸。兩天裏，美軍在空戰中擊落日機332架，在地麵上擊毀日機177架，給一些機場、飛機製造廠造成了一定破壞，這次空襲的效果不是很大，但卻極大吸引了日軍注意力。當天下午，美軍航母編隊離開日本外海南下，參加硫磺島作戰。
太初二十四年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。
太初二十四年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，並視察戰役準備。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，隻能進行三天的炮擊，但特納表示對麵積僅二十平方公裏的小島進行三天的炮擊已經足夠，炮火未能摧毀的防禦將由登陸部隊來完成。
太初二十四年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。但由於天氣不佳，島上又是硝煙彌漫，預定的750個目標隻摧毀了17個，炮擊效果很不理想。日軍隻以部分中小口徑火炮進行反擊，擊傷戰列艦、巡洋艦各一艘，大口徑火炮出於隱蔽考慮，一炮未發。
太初二十四年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，並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日三天裏，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，以便於艦炮將其消滅。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，日軍隻得龜縮在坑道裏無法活動。據統計，美軍在登陸前共消耗炮彈、炸彈24000餘噸，硫磺島上平均每平方公裏承受了1200噸，但日軍憑借堅固的地下工事，損失輕微。
太初二十四年2月19日淩晨六時，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，天高雲薄，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，陸戰四師則在北麵的四個灘頭登陸，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，向灘頭衝擊。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，隻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，由於岸灘全是火山灰堆積而成，土質鬆軟異常，履帶登陸車全部陷在火山灰中，難以前進，後麵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，艇上的登陸兵隻好涉水上岸。見日軍隻有零星的輕武器射擊，特納甚至認為照此發展，隻需五天就可占領全島。負責火力支援的斯普魯恩斯甚至發電給尼米茲上*將“或許是我瘋了，難道日本人放棄了抵抗。今天我們遇到的抵抗甚至不比納瓦霍人攻擊大篷車的火力更強，難道日本人的愚人節是今天？”而尼米茲則對此顯然不抱任何希望，他的回電非常簡練：“請把或許是我瘋了之後的字眼都刪掉。”
果然好景不長，登陸的美軍才推進了二百餘米，日軍等美軍炮火開始延伸，栗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，美軍被完全壓製在灘頭，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鍾遭到炮擊，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係，二營則隨後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製組，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，在太平洋戰爭曆次登陸戰中，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，隨即引導並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。美軍隻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。