此战是美军陆战队在整场太平洋战役中唯一伤亡总数超过日军的一次。 在1944年以前，日本其实并不重视硫磺岛，岛上仅有1500名海军派遣的守备部队和20架飞机。但是在美军于太平洋地区节节进逼之后，日本开始警觉到固守绝对国防线的必要性，于是开始加强岛屿防务,而原本硫磺岛的防御权也立刻从海军手上移交给陆军第31军。
日本在1944年3月派出4000名陆军部队增援硫磺岛，并且在5月着手将原有驻守在硫磺岛上的陆、海军部队整编成小笠原兵团。 小笠原兵团的指挥栗林中将共率21200人，他极为重视战场构建。岛上的工事结合了天然地形和人工构筑，将工事深入地下，并以坚硬的天然花岗岩为屏障。所构筑的工事不仅可以抵抗大口径炮弹和炸弹，而且开火位置都经过精心选择，可以交叉掩护，毫无死角。
各阵地之间都有交通壕联络，可以避免遭到孤立。除此之外，各阵地与伏地堡都有反射口，即使美军穿过防线也会遭到射击。以折钵山阵地为例，整个内部几乎完全挖空，除了射击阵地之外，还有居住区、野战医院、储蓄室，可以让守备部队在完全孤立的状况下作战，堪称是硫磺岛版的马奇诺防线。此外硫磺岛的滩岸也都埋有大量地雷和反舟艇障碍，外围的射击阵地都经过精心安排，能够对整个海滩进行纵射。
栗林都很清楚必须孤军作战，他对于后方高司单位并未心存幻想，只希望能够尽量拖住美军并造成美军最大伤亡。为此，栗林严格要求各级部队长必须加强射击纪律，不在射程内决不轻易开火。栗林也禁止所谓的“万岁突击”，他要求小笠原兵团的每一位官兵都必须在阵亡前杀死至少10名美军，而不是轻易发动自杀攻击。 在连取马绍尔及天宁岛之后，美军高层对于硫磺岛作战可说信心十足。
攻击前，美军对硫磺岛及外围岛屿共投掷6800吨以上的炸弹并岸轰2万多发炮弹，接着又对日本本土机场佯攻作战，摧毁177架日军飞机。 1945年2月16日，美军特遣舰队开始对硫磺岛进行岸轰，为求精确射击岸上的碉堡炮眼，许多驱逐舰和巡洋舰甚至不惜冒险驶到离岸仅有3000米左右的距离进行岸轰.栗林下令主要炮阵地一律不许还击，仅由部分火力据点实施威吓射击，希望藉此保留实力。
此外，美军舰载机也倾巢而出，对硫磺岛上的目标实施炸射。总计在3天的准备射击中，美军一共投射了24000吨以上的弹药，平均每平方公里1200吨。但是后来却发现这些攻击对于日军的防备其实没有发挥多大效果，遍地弹坑反而让后来的登陆部队运动受到障碍。 1945年2月19日9时，美军开始登陆。陆战第5军派出陆战第4师和第5师为第一波登陆部队，控留战地第3师为预备队。
登陆滩头为硫磺岛的东面海滩。 打头阵的陆战第4师一开始的登陆过程极为顺利，日军几乎完全没有还击，只有零星的迫击炮火和轻武器射击。美军陆战队遇到最大的麻烦不是日军，而是松软的火山灰沙滩。由于沙质太过松软，陆战队的LVT-4“水鸭子”两栖登陆坦克几乎全部都挂在沙滩上，陆战队员只好徒涉上岸。
日军等到美军离开炮火和车辆掩护之后，早就测好射距离的各式轻重武器一起从伪装阵地开火。全副武装在海滩上挣扎前进的美军陆战队员顿时间成为活靶，惨烈程度绝对不下于诺曼底登陆的奥马哈滩头。陆战第5师的运气比较好，日军整整晚了20分钟才开火。这20分钟的时间让打头阵的陆战第5师28团1营趁机一口气冲过硫磺岛西南部的狭窄地段，切断了折钵山和其它日军部队的联系。
倒霉的事不只一桩，美军原本寄望坦克上岸之后能够用直射火力为困难的滩头上的美军打开一条路，但是坦克却和“水鸭子”一样卡在沙滩上动弹不得。美军陆战队员迫不得已只好不顾一切地向前挺进，脱离日军的火力杀伤区。登陆开始3个小时之后，陆战第4师23团才勉强从滩头向内陆挺进了460米，而25团则是被钉死在滩头上，直到驱逐舰以舰炮直接岸轰日军火力据点才解围。
陆战第5师28团则成功切断折钵山，确保硫磺岛南部地区，27团则是推进到千鸟机场南端。 2月20日，陆战第4师在舰炮岸轰火力和舰载机炸射支援下，攻下了位于硫磺岛中央的千鸟飞行场，将硫磺岛上的日军一切为二。陆战第5师则开始向折钵山攻坚，由于日军工事身处山坳，舰炮即使实施挺进破坏射击也难以正确命中目标，因此陆战第5师与日军一直处于胶着状态，直到配属的坦克和战斗工兵投入战场之后，才逐步以火焰放射器和炸药一个一个地消灭日军阵地。
