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16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，直撲日本本土。這是美軍自1942年4月杜利特爾空襲東京以來航母編隊第一次襲擊日本本土。
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。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，為硫磺島戰役創造了條件。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。
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。
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，炮擊效果很不盡如人意。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。
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，並清除水下的魚雷和障礙物，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，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，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。
2月19日6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。6時40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。
8時30分，第一波68輛履帶登陸車離開出發點，向灘頭衝擊。
8時59分，艦炮火力開始延伸射擊。
9時整，登陸部隊海軍陸戰隊3個師，準時開始登陸。登陸開始時非常順利，日軍的抵抗十分微弱，隻有迫擊炮和輕武器的零星射擊，特納甚至認為照此發展，隻需5天就可占領全島。
但好景不長，登陸的美軍才推進了200餘米，日軍等美軍炮火開始延伸，就從坑道進入陣地，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5師因為比陸戰4師晚了大約20分鍾遭到炮擊，而且炮火相對比陸戰4師遭受的要弱，所以先頭的28團1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，2營則隨後向折缽山發起了攻擊。陸戰4師在日軍猛烈炮火阻擊下，幾乎寸步難行。就在這危急時刻，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。美軍全天共消耗127毫米以上口徑艦炮炮彈38550發，火力支援之強，史無前例。
9時30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。