10時30分，美軍已有8個步兵營和一個坦克營上岸，正竭力擴展登陸場。11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。12時許，美軍陸戰4師23團才前進了450米，接著繼續在火力支援下攻擊前進，直到14時，才攻到一號機場。27團在海灘上被困40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3萬人上岸，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，還不算太糟糕。
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襲擾外，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。
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。8時30分，美軍登陸部隊發起了進攻，陸戰4師在艦炮和坦克支援下攻占一號機場，並切斷了島南日軍與元山之間的聯係。機場剛剛攻占，工兵就開始全力搶修，以便盡快能投入使用。陸戰5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，28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，直到黃昏，才總共前進了180米。
2月22日，美軍登陸部隊因大雨被迫停止進攻，抓緊進行戰地休整。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——向日本人放毒氣”。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。
2月23日，美軍陸戰4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，10時20分，陸戰5師28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。4小時後，希勒的士兵又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的姓名和家庭地址，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5兩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！
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，戰鬥殊為激烈，陸戰3師21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，21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3師師部和陸戰第9團、野戰炮兵第12團送上島，投入戰鬥。
2月25日，三個陸戰師開始在硫磺島並肩攻擊，4師在右，3師居中，5師在左，並列向東北推進。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。