1945年2月19日六時，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，硫磺島出現了此前少有的晴朗天氣，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順利的完成了換乘。
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。
九時整，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。但好景不長，登陸的美軍才推進了二百餘米，日軍等美軍炮火開始延伸，粟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，大都陷入了厚重的火山灰裏，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，而且每一步都要付出慘重的代價。
十時三十分，美軍已有8個步兵營和1個坦克營上岸，正竭力擴展登陸場。
十一時，風向轉為東南，風力逐漸加大，給美軍的登陸帶來了很不利的影響，這時各團的預備隊營正在登陸，許多登陸艇被強勁的陣風吹得失去控製，甚至傾覆，再加上日軍炮火的轟擊，灘頭上到處都是損壞的登陸艇，而後續的物資和人員仍在按計劃源源不斷上岸，整個海灘一片混亂。但這樣混亂的場景因塵土飛揚，硝煙彌漫，海麵上的軍艦根本看不清楚，以為一切都在按計劃施行的特納向尼米茲報告登陸部隊幾乎沒遇到抵抗，傷亡輕微。
十二時許，美軍陸戰四師二十三團僅僅前進了450米，接著繼續在火力支援下攻擊前進，直到十四時，才攻到一號機場。而四師的另一個團二十五團則被日軍在藍二灘東北的一個小艇專用港邊懸崖上的大量永備發射點所阻，傷亡嚴重，卻毫無進展，為摧毀這些永備發射點，美軍使用了一種新的引導艦炮射擊法：先以登陸艇向目標發射曳光彈，巡洋艦再根據曳光彈的彈著射擊，效果極佳，到黃昏時分，終於消除了這些火力點的威脅，但二十五團在登陸當天幾乎沒有進展。陸戰五師情況梢好，二十八團已割裂折缽山與其他地區日軍的聯係，將其包圍起來；二十七團在海灘上被困四十分鍾之後，終於取得了突破，推進到了一號機場南端。
日落時，美軍已有6個步兵團、6個炮兵營和2個坦克營共約三萬人上岸，占領了寬約3600米，縱深從650米到1000米不等的登陸場，全天有566人陣亡，1858人負傷，傷亡總數約占登陸總人數的8%。就第一天的戰況而言，情況還不算太糟糕，但隨後的戰事變得極其嚴峻。
天黑後，美軍害怕日軍發動大規模夜襲，海麵上的軍艦幾乎不間斷地向島上發射照明彈，將黑夜照得如同白晝，出乎意外的是，日軍通常會在登陸的當天夜間發動的夜襲根本沒有發生，除了一些小股日軍的騷擾外，太平無事。這是因為粟林深知自己的實力，堅決不采取自殺性的衝鋒。度過了第一個平安的夜晚後，迎接美軍的將是更為殘酷的戰鬥。
2月20日，從淩晨開始，美軍艦炮就根據登陸部隊的要求進行火力準備。八時三十分，美軍登陸部隊發起了進攻，陸戰四師在艦炮和坦克支援下，攻占了一號機場，並切斷了島南日軍與元山之間的聯係。機場剛剛被攻占，工兵就開始全力搶修，以便盡快能投入使用。陸戰五師向折缽山攻擊，由於日軍很多工事都建在艦炮火力無法射擊到的岩洞中，在坦克到來前，二十八團幾乎無法前進，最後在坦克掩護下，以手榴彈、炸藥包、火焰噴射器逐一消滅岩洞中的日軍，有時甚至出動推土機將洞口封閉，因此進展極為緩慢，直到黃昏，才總共前進了180米。
2月21日，島上的激戰仍在繼續，進展十分有限。海灘勤務大隊經過不懈的努力，解決了灘頭的混亂局麵，天氣卻愈加惡劣，海上風大浪高，嚴重影響了補給品的卸載。由於島上的部隊傷亡較大，作為預備隊的陸戰三師二十一團奉命上島投入戰鬥。
2月22日，因大雨美軍登陸部隊被迫停止進攻，抓緊進行戰地休整。由於三天來美軍在硫磺島上陣亡、失蹤人數已達1204人，負傷4108人。美國國內的新聞界甚至強烈要求“讓陸戰隊喘口氣——給日本人放毒氣。”誠然，對付隱藏在坑道或岩洞中的日軍，毒氣既實用，又比火焰噴射器更為“仁慈”，盡管美、日兩國都沒有簽署嚴禁使用毒氣的《日內瓦公約》，但羅斯福總統和尼米茲都不願違反公約，戰後尼米茲承認，沒有使用毒氣完全是出於道義的考慮，結果使大量優秀的陸戰隊員付出了生命。
2月23日，美軍陸戰四師以二號機場為目標發起總攻，但在日軍永備發射點、坑道、地堡和岩洞工事組成的防線前，推進極為緩慢，簡直像蝸牛爬行。全天隻有右翼前進了約300米，左翼和中間幾乎毫無進展。
這天唯一的戰果是在折缽山，美軍因其不斷噴發煙霧，稱之為“熱岩”，日軍幾乎將整座山掏空，修築有數以千計的火力點，尤其是山頂的觀察哨，居高臨下俯瞰整個東海岸，能準確指引、校正縱深炮火的射擊，對於美軍威脅極大。經四天血戰，十時二十分，陸戰五師二十八團由哈羅得·希勒中尉率領的40人組成的小分隊，終於攻上了折缽山山頂，升起了一麵美國國旗。盡管折缽山上，仍有近千日軍憑借著坑道和岩洞工事拚死抵抗。四小時後，美國士兵又頑強的插起了一麵更大的星條旗，美聯社記者喬·羅森塔爾將插旗時的情景拍攝下來，這張照片隨即廣為流傳，成為勝利的象征。後來太平洋戰區總部還專門查詢插旗的陸戰隊員姓名和家庭地址，進行表彰。剛趕到硫磺島視察的美國海軍部長福雷斯特爾和第五兩棲軍軍長史密斯注視著在折缽山山頂飄揚的國旗，非常激動，福雷斯特總結到：“折缽山升起的國旗意味著海軍陸戰隊從此後五百年的榮譽！”海麵上軍艦上的水兵看到這麵象征勝利的旗幟，歡聲雷動。特納將陸戰五師二十八團留在折缽山，負責肅清山上的日軍，而五師的另兩個團則調到北部，協同四師攻擊元山地區的日軍。
同日，美軍的航母編隊在硫磺島以東海域與海上勤務大隊會合，接受海上補給，當晚再次向日本本土進發，以壓製日軍可能對硫磺島的支援。
2月24日，戰鬥空前激烈，陸戰三師二十一團在海空火力的大力支援下，由坦克開道，終於突破了日軍在二號機場南側的防線，推進730米，拔除了日軍近800個碉堡，日軍隨即發動了一次逆襲，二十一團猝不及防，一度被迫後退，隨後在艦炮支援下拚死反擊，才將陣地鞏固。很快美軍就發現，隨著逐漸升高的地形，日軍構築了密如蟻穴的地堡和縱橫交錯的坑道網，憑借著這些工事進行的抵抗越來越頑強。至當天，美軍傷亡總數已達6000人，其中陣亡1600人，麵對如此慘重的傷亡，美軍將作為預備隊的陸戰三師師部和陸戰第九團、野戰炮兵第十二團送上島，投入戰鬥。
2月25日，三個陸戰師在硫磺島並肩開始攻擊，四師在右，三師居中，五師在左，並列向東北推進。
同一天拂曉，美軍的航母編隊到達距東京東南190海裏海域，出動艦載機對東京地區的日軍機場和飛機製造廠進行空襲，和第一次空襲一樣，因為天氣惡劣，轟炸效果並不理想，米切爾隨後指揮航母編隊轉向西南，前去突擊衝繩島。於3月1日對衝繩首府那霸進行了空襲，同時對衝繩島、慶良間列島和奄美大島等地進行了航空攝影，為即將開始的衝繩戰役提供資料。航母編隊最後於3月4日返回了烏利西。
3月1日，美軍經過激烈的鏖戰，終於攻占了二號機場和元山村。
此時硫磺島上的美軍每前進一步，都要付出巨大的代價，戰鬥已經成為不折不扣的消耗，無論是體力還是精神，有時一整天隻前進4米，慘重的傷亡甚至使軍官們都沒有勇氣再將士兵投入戰鬥。在對島上第二製高點382高地的爭奪中，陸戰四師屢屢陷入日軍交叉火網，傷亡極其慘重，382高地因此被稱為“絞肉機”，戰鬥部隊的傷亡高達50%以上，有經驗的連、排長和軍士長傷亡殆盡，許多連隊連長由少尉或上士擔任，而排、班長大都由普通士兵擔任。美軍必須逐一消滅側翼的日軍陣地，解除側翼威脅，才有可能向前推進，所以戰鬥異常殘酷、激烈，直到3月2日，二十四團才攻上了高地，但所付出的傷亡是巨大的，有好幾個連的官兵非死即傷，幾乎全連覆沒。
左翼的五師，攻擊362高地的遭遇與四師在382高地如出一轍：剛攻上山頭，側翼日軍立即以密集火力封鎖美軍的退路，再以縱深火力和凶猛的反擊將攻上高地的美軍盡數消滅，美軍死傷枕籍，卻毫無收獲，隻得先消滅最突出部的日軍陣地，再步步為營艱難向前推進。日軍早已掌握了美軍的攻擊程序，先是航空火力準備，再是艦炮火力轟擊，接著是地麵炮火射擊，最後才是步兵衝擊，所以日軍總在坑道裏躲過美軍的炮火，再進入陣地迎擊步兵的進攻，一次又一次粉碎了美軍的攻勢。美軍飽嚐失利的苦果，終於痛定思痛，改變戰術，3月7日拂曉，美軍沒進行任何炮火準備，借助黎明前的黑夜，悄然接近日軍陣地，突然發起衝擊，打了日軍一個措手不及，一舉攻占了362高地。
陸戰隊員的巨大犧牲並沒有白費，3月3日，就有一架C—47運輸機在硫磺島的一號機場降落。次日一架在空襲日本本土時受傷的B—29在硫磺島緊急降落，硫磺島的價值已經開始得到了體現。
3月7日，美軍發動總攻，擔負中央突破的陸戰三師勢如破竹，進展神速，遇到難以克服的日軍陣地就設法繞過去，繼續向前推進，這造成了後續的陸戰四師、五師有不少“釘子”需要拔，但三師突破了日軍的防線，並於兩天後攻到了西海岸，占據了一段約800米長的海岸，將日軍分割為兩部分。陸戰三師二十一團一營最先殺到西海岸，作為戰績的證據，營長在一個軍用水壺裏裝滿了海水，貼上：“隻供檢驗不得飲用。”的標簽，派人送給師長厄金斯少將。
3月9日美軍占領了尚未完工的三號機場。粟林得知美軍突破了防線將日軍一分為二時，立即組織部隊進行反擊，他深知美軍火力的強大，正麵進攻難以奏效，所以進行的是夜間滲透反擊。他命令部隊盡可能穿越美軍的防線，滲透到美軍後方重新打通兩翼聯係。美軍發現了日軍的行動，發射的照明彈將黑夜照得如同白晝，許多日軍越過了美軍的前沿防線，有的甚至滲透距離達1600米，但美軍預備隊和後方勤務人員，依托工事頑強抗擊，給予反擊日軍重大殺傷，天亮時，日軍的反擊被徹底粉碎，傷亡至少一千人，徒勞無功，反而損失了大量有生力量，給以後的作戰帶來極為不利的影響。
3月10日，陸戰三師將日軍防線截為兩段後，隨即開始向兩麵擴張戰果，九團向東，二十一團向西，分別策應陸戰四師、五師的攻擊。盡管日軍的防禦態勢已經相當不利，但日軍仍依托工事死戰不退，尤其是陸戰五師麵對的是由粟林直接指揮的部隊，遭到的抵抗更為激烈，陸戰五師的傷亡超過75%，許多戰鬥部隊失去了戰鬥力，師部的文書、司機甚至炊事員等勤雜人員都投入到了戰鬥之中。三師、四師的傷亡也很嚴重，出於這種情況，陸戰四師師長克利夫頓·凱茲少將向粟林和硫磺島日軍中戰鬥力最強的第一四五聯隊隊長池田大佐發出勸降信，信中首先向他們無畏精神和英勇作戰表示了尊敬，接著說明了目前無法取勝的處境，最後要求他們指揮所屬部隊停止抵抗，美軍將保證投降日軍根據《日內瓦公約》受到人道待遇。但勸降信如同石沉大海，沒有回音。
3月16日，東北部的800餘日軍被殲滅，美軍於當日十八時宣布占領硫磺島，但戰鬥仍在繼續，粟林指揮殘部依然在抵抗，有時戰鬥還相當激烈。陸戰三師師長厄金斯少將找到兩名日軍戰俘，給了他們很多幹糧，還配備了一部最新式的報話機，然後讓他們給粟林和池田帶去勸降信。這兩名戰俘將勸降信設法交給了池田大佐的傳令兵，但到了規定的時間期限，日軍仍未投降，這兩名戰俘為美軍的人道主義待遇所感動，竟留在日軍防線裏，通過報話機為美軍炮火指引目標，一直到18日才返回美軍戰線。
3月21日，日本天皇晉升栗林為大將軍銜，以表彰他的英勇作戰。
從16日美軍宣布占領硫磺島後又經過整整一周的激戰，24日美軍才將殘餘的日軍壓縮在島北部約2100平方米的狹小範圍裏。粟林於當晚焚毀了軍旗，發出了最後的訣別電報，然後銷毀密碼，準備實施最後的決死反擊。
3月25日，栗林派人設法通知島上每一個人，於夜間攜帶武器在三號機場附近的山區集合。
3月26日淩晨，栗林親自率領約350名日軍向二號機場的美軍發起了最後反擊，許多美軍在睡夢中被殺，天亮後，美軍組織掃蕩，四處追殺這股殘餘日軍，激戰三小時，將這股日軍大部殲滅，日軍僅遺留在美軍陣地前的屍體就有250具，粟林負傷後在島上剖腹自殺，美軍傷亡172人。美軍於當天八時宣布硫磺島戰役結束，但清剿殘餘日軍的戰鬥一直持續到四月底。
硫磺島的守備部隊在殊死抵抗的同時，日本海軍聯合艦隊由於主要的水麵艦隻在菲律賓萊特灣海戰中損失殆盡，殘餘軍艦因為燃料不足，也無力組織救援。能夠出動增援的就隻有岸基航空兵和潛艇部隊了，但岸基航空兵的第一、第二航空艦隊基本喪失了戰鬥力，第三航空艦隊還在訓練中，而且是準備在本土保衛戰中使用，因此，日軍大本營決定盡量避免損失，隻以少量飛機和潛艇實施“特攻作戰”，以最小代價換取最大戰果。
2月19日，日軍在香取基地成立了以自殺飛機為主體的“第二禦盾特別攻擊隊”，專門擔負特攻使命。
2月21日，這支特攻隊轉場至八丈島，於中午加油完畢，分批出擊。十七時許，第一攻擊波的6架自殺飛機飛臨美軍在硫磺島西北35海裏正準備執行夜間空中巡邏任務的“薩拉托加”號航母上空，日機隨即展開攻擊，有4架被擊落，另2架接連撞上這艘航母，使該艦受傷起火，所幸傷勢不重。十八時五十分，“薩拉托加”號的水兵剛把艦上的大火撲滅，日軍第二攻擊波5架自殺飛機就接踵而至，前4架均被擊落，第五架雖被擊傷，仍一頭撞上“薩拉托加”號，在航母甲板上翻滾著落入海中，給母艦造成了多處創傷，被毀飛機42架，艦員陣亡123人，傷192人。隻是因為艦上損管人員搶修得力才幸免沉沒，終因傷勢太重而奉命撤出戰場，隨即回國進塢大修，直到戰爭結束再未能參戰。