由於日軍的海空軍主力在菲律賓戰役中遭到了毀滅性的打擊，已無力為硫磺島提供海空支援，所以硫磺島的抗登陸作戰是要在幾乎沒有海空支援的情況下進行。指揮官栗林忠道是出色的職業軍人，曾擔任過天皇警衛部隊的指揮官，對於防禦作戰有著豐富的經驗，他意識到麵對美軍絕對海空優勢，灘頭作戰必定難以奏效，他主張憑借折缽山和元山山地的有利地形，依托堅固的工事，實施縱深防禦。但海軍守備部隊指揮仍堅持殲敵於灘頭，最後粟林做出了折衷的方案，以縱深防禦為主，灘頭防禦為輔，海軍守備部隊沿海灘構築永備發射點和堅固支撐點，進行防禦；陸軍主力則集中在折缽山和元山地區，實施縱深防禦。
栗林決心將硫磺島建成堅固的要塞，以折缽山為核心陣地，以兩個機場為主要防禦地帶，在適宜登陸的東西海灘則是以永備發射點和堅固支撐點為骨幹的防禦陣地，日軍的防禦工事多以地下坑道陣地為主，混凝土工事與天然岩洞有機結合，並有交通壕相互連接。炮兵陣地也大都建成半地下式，盡管犧牲了射擊範圍，卻大大提高了在猛烈轟擊下的生存能力。火炮和通訊網絡都受到良好保護，折缽山幾乎被掏空，山體中築有的坑道竟有九層之多。針對美軍的作戰特點，栗林在海灘縱深埋設了大量地雷，機槍、迫擊炮、反坦克炮構成綿密火力網，所有武器的配置與射擊目標都進行過精確的計算，既能隱蔽自己，又能最大限度的殺傷敵軍。唯一不足的是，原計劃元山地區將修築的坑道工事有28公裏長，由於時間不夠，當美軍發動進攻時隻完成了70%，約18公裏，而且折缽山與元山之間也沒有坑道連接。
栗林一改日軍在戰爭初期的死拚戰術，規定了近距射擊、分兵機動防禦、誘敵深入予以伏擊等戰術，他嚴禁日軍慣用的自殺衝鋒，並號召每一個士兵至少要殺死十個美軍。栗林的這些苦心經營，確實給美軍造成了巨大的困難，使硫磺島之戰成為太平洋上最殘酷、艱巨的登陸戰役。
美軍對硫磺島的海空轟擊其實早已開始。
從1944年8月10日起，駐紮在塞班島的美軍航空兵就開始對小笠原群島進行空襲，重點是硫磺島的機場和為硫磺島進行物資補給的中轉地父島的港口設施。從8月至10月，共進行過48次轟炸，投彈約4000噸，但收效甚微。
11月24日，塞班島的美軍首次出動B-29超級空中堡壘轟炸機對日本本土實施大規模轟炸，引起了日軍極大的恐懼，並隨即作出反應，三天後即11月27日，硫磺島日軍出動了2架飛機空襲塞班島美軍B—29航空基地，擊毀B—29一架，擊傷十一架。隨後的日子裏，硫磺島日軍又多次組織對塞班島美軍航空基地的空襲，至1945年1月2日，已累計擊毀B—29六架，嚴重威脅著美軍B—29航空基地的安全。為壓製硫磺島日軍飛機的襲擾，美軍於1944年12月8日組織了一次海空協同突擊，出動飛機192架次，其中B—29重轟炸機62架次，B—24中型轟炸機102架次、重巡洋艦3艘、驅逐艦7艘，共投擲炸彈814噸，發射203毫米炮彈1500發、127毫米炮彈5334發，這樣猛烈的轟擊，卻並未徹底摧毀硫磺島機場，而是僅僅起了短暫的壓製作用。自這次海空協同突擊後，美軍在12月間又組織了四次類似的海空聯合突擊。
12月9日起，由黑爾少將指揮的第七航空隊B—24轟炸機在天氣允許情況下，幾乎每天都出動對硫磺島進行轟炸，塞班島的B—29也不時加入對硫磺島的轟炸，至1945年2月初，美軍共出動艦載機1269架次，岸基航空兵1479架次，軍艦64艘次，總共投擲炸彈6800餘噸，發射大口徑艦炮炮彈2萬餘發，其中406毫米炮彈203發，203毫米炮彈6472發，127毫米炮彈15251發。雖然美軍進行了如此猛烈密集的火力轟擊，但是日軍的防禦工事異常堅固，效果十分有限，對島上兩個機場也沒能予以徹底摧毀，日軍總能在空襲後迅速修複，而日軍初步領略到了美軍的火力，更加傾注全力修築以坑道為骨幹的防禦工事。
1945年1月26日，完成了對呂宋島登陸作戰支援任務的第三艦隊返回烏利西基地，進行休整。第三艦隊司令哈爾西上將將指揮權移交給斯普魯恩斯，第三艦隊隨即改稱第五艦隊，這是美軍自1944年秋開始實行的新措施，為太平洋艦隊配備了兩套司令部指揮參謀人員，在哈爾西指揮下，番號為第三艦隊；當由斯普魯恩斯指揮時則稱之為第五艦隊，一般一人在前線指揮作戰，另一人則在後方籌劃醞釀下一次作戰，這樣既能充分使用兵力，充分發揮指揮官的才能，又能迷惑日軍。