美軍：參加作戰的地面部隊爲第5兩棲軍，下轄海軍陸戰隊第3、4、5師，共約6萬人，由霍蘭·史密斯中將指揮；登陸編隊和支援編隊，由凱利·特納中將指揮；米切爾中將指揮的第58特混編隊負責海空掩護；所有參戰登陸艦艇約500艘，軍艦約400艘，飛機約2000架，由第5艦隊司令斯普魯恩斯上將統一指揮。
日軍：日軍在島上陸軍約1.5萬餘，海軍約7000餘，飛機30餘架，由粟林統一指揮。
■攻佔計劃
硫磺島是太平洋上一座由火山熔岩冷卻後形成的火山島，地形起伏，溝壑縱橫，熔洞密佈，懸崖峭壁臨海高聳。從高空俯瞰，20餘平方公里，大小的硫磺島像一隻砍去雙腿，又被拔光毛的火雞，火雞頭位於島的西南端，高度168米的摺鉢山雄踞雞頭，是全島制高點，一個雞嘴狀的岬角一直伸進滾滾波濤中。北部從雞背一直到東北部雞尾部分，是一片錯落起伏的高地，由一系列小山崗和陡峭的峽谷構成。小山崗高程大多百米左右，地形複雜，可伏重兵。南部雞脖子和雞胸部位，地勢低平，有一小片被梯狀臺地逼住的海灘，勉強可作登陸場。除此以外，全島沒有任何可供船舶停靠的錨地或港灣。
硫磺島雖是一個小島，卻處在戰略要津。硫磺島北距東京650海里，南距馬里亞納羣島的塞班島630海里，幾乎正處在兩地的中間。可謂是戰略位置極其重要。爲什麼這麼說呢？因爲自從美軍1944年7月攻佔馬里亞納羣島後，就開始建立航空基地，出動B—29重型轟炸機空襲日本本土。但馬里亞納羣島距日本本土將近1500海里，B—29進行如此長距離的空襲，由於受航程的限制，只能攜帶3噸炸彈，僅爲B—29最大載彈量的30%。而且因爲航程太長，戰鬥機無法進行全程護航，因此B—29只能在8000~9000米高度實施面積轟炸，效果很不好。因此，爲總攻日本，美軍勢必要奪佔硫磺島。而爲東京安全，日軍也勢必要死守硫磺島。結果，這座杳無人跡的小小火山島，在太平洋戰爭後期，就成爲日美必爭之地。
美陸軍航空兵（即美國空軍的前身）司令阿諾德上將於1944年4月17日向美參謀長聯席會議提出攻佔硫磺島的請求，美參謀長聯席會議隨即同意這一請求，責成太平洋戰區擔負此項作戰，太平洋戰區總司令兼太平洋艦隊總司令尼米茲上將爲就近指揮，將其指揮部從珍珠港移至關島。平洋艦隊司令部的參謀人員就將進攻硫磺島的計劃制定出來，參加作戰的地面部隊爲第5兩棲軍，下轄海軍陸戰隊第3、4、5師，共約6萬人，由霍蘭·史密斯中將指揮；登陸編隊和支援編隊，由凱利·特納中將指揮；米切爾中將指揮的第58特混編隊負責海空掩護；所有參戰登陸艦艇約500艘，軍艦約400艘，飛機約2000架，由第5艦隊司令斯普魯恩斯上將統一指揮。
最初，斯普魯恩斯和尼米茲都認爲攻佔這樣一個彈丸小島，不會費多大力氣，但看了對硫磺島的空中偵察所拍攝的航空照片後，才知道在這個島上極可能存在不同尋常的防禦系統，史密斯中將仔細研究了航空照片後，表示這將是最難攻佔的島嶼，並預計要付出兩萬人的傷亡。
1月28日當負責組織對日軍本土戰略轟炸的陸軍航空兵第二十一航空隊司令柯蒂斯·李梅少將前來協商航空兵如何支援硫磺島登陸作戰時，斯普魯恩斯就向他提出硫磺島對於戰爭究竟有多少價值？李梅立即肯定地表示沒有硫磺島就無法有效地對日軍本土進行戰略轟炸。斯普魯恩斯這才決定不惜付出巨大代價攻取硫磺島。
由於參戰部隊中相當部分正在支援對呂宋島的登陸作戰，硫磺島戰役只得等呂宋島戰役結束後的1945年1月才能開始，又因爲呂宋島戰役進展緩慢，結束的日期從計劃的1944年12月20日推遲到了1945年1月9日，尼米茲再將硫磺島的作戰推遲到1945年2月中旬。
1944年馬里亞納羣島失守後，日軍越來越意識到硫磺島的重要。爲此，日軍開始大力加強其防禦力量。截止1945年2月，日軍在島上陸軍約1.5萬餘，海軍約7000餘，共約2.3萬人，飛機30餘架，由慄林統一指揮。日軍在島上的中部高地和元山地區各建有一個機場，分別叫做千島機場和元山機場，也叫1號機場和2號機場，並在2號機場以北建造第3個機場。
日軍的海空軍主力在菲律賓戰役中遭到了毀滅性的打擊，因此，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。爲此，慄林主張憑藉折鉢山和元山山地的有利地形，依託堅固的工事，實施縱深防禦。但海軍守備部隊仍堅持殲敵於灘頭，最後慄林做出了折中的方案，以縱深防禦爲主，灘頭防禦爲輔，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鉢山和元山地區，實施縱深防禦。
慄林決心將硫磺島建成堅固的要塞，以折鉢山爲核心陣地，以兩個機場爲主要防禦地帶，在適宜登陸的東西海灘則是以永備發射點和堅固支撐點爲骨幹的防禦陣地，日軍的防禦工事多以地下坑道陣地爲主，混凝土工事與天然巖洞有機結合，並有交通壕相互連接。炮兵陣地也大都建成半地下式。火炮和通訊網絡都受到良好保護，折鉢山幾乎被掏空，築有的坑道就九層之多！針對美軍的作戰特點，慄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計算，既能隱蔽自己，又能最大限度殺傷敵軍。慄林一改日軍在戰爭初期的死拼戰術，規定了近距射擊、分兵機動防禦、誘伏等戰術，還嚴禁自殺衝鋒，號召每一個士兵至少要殺死十個美軍。
■空海陸同擊
美軍早對硫磺島進行了轟炸。1944年8月10日，駐紮在塞班島的美軍航空兵就開始對小笠原羣島進行空襲，重點是硫磺島的機場和爲硫磺島進行物資補給的中轉地父島的港口設施。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轟炸。三天後，硫磺島上的日軍出動了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11架。隨後的日子裡，硫磺島上的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，嚴重威脅着美軍B—29航空基地的安全。爲壓制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，僅僅起了短暫的壓制作用。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轟炸機在天氣允許的情況下，幾乎每天都對硫磺島進行轟炸，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。美軍如此猛烈密集的火力轟擊，由於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復，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爲骨幹的防禦工事。
1945年1月26日，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，爲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，番號爲第三艦隊；當由斯普魯恩斯指揮時則稱之爲第五艦隊，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，又能迷惑日軍。
2月2日，尼米茲來到烏利西，視察硫磺島作戰的準備情況。斯普魯恩斯提議爲阻止日軍對硫磺島可能的增援，必須首先使用艦載航空兵對日本土的關東地區機場進行壓制，尼米茲同意了這一計劃。隨後，尼米茲又前往塞班島觀看了將在硫磺島實施登陸作戰的第五兩棲軍的三個海軍陸戰隊師進行的臨戰演習。
2月10日，斯普魯恩斯以“印第安納波利斯”號重巡洋艦爲旗艦，第58特混編隊司令米切爾以“邦克山”號航母爲旗艦，一起率領由12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，經馬里亞納羣島和小笠原羣島以東，對日本本土進行轟炸。斯普魯恩斯計劃16日抵達日本外海，以16日、17日兩天時間對日本本土關東地區的機場進行壓制性的空襲，然後再南下參加硫磺島作戰。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，由於天空中陰雲低垂，攻擊效果並不理想。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、飛機制造廠、錨泊船舶等目標進行了轟炸。兩天裡，美軍在空戰中擊落日機332架，在地面上擊毀日機177架，給一些機場、飛機制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。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。
美軍除了對日軍進行空襲之外，還進行了海陸炮擊。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15日，美海軍部長福雷斯特爾在尼米茲陪同下到達塞班島，聽取有關硫磺島戰役的彙報，並視察戰役準備。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。爲確保炮擊的準確，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。但天氣不佳，島上又是硝煙瀰漫，預定的750個目標只摧毀了17個。日軍只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，並清除水下的水雷和障礙物，粟林以爲美軍登陸在即，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。美軍大爲震驚，島上的日軍竟然還有如此猛烈的火力，立即對這些剛暴露出的目標進行轟擊。
從16日至18日三天裡，美軍除了艦炮火力外，護航航母的艦載機也全力出擊，有的進行空中掩護；有的進行反潛警戒；有的觀測校正彈着；有的向日軍陣地投擲燃燒彈，燒掉日軍陣地的僞裝，使之暴露出來，以便於艦炮將其消滅。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，日軍只得退守在坑道里無法活動。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里承受了1200噸，但日軍的防禦工事很堅固，損失輕微。
■登陸戰打響
1945年2月19日9點，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按原計劃也到達硫磺島西北海域。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，雖時間短，但因爲天氣晴朗，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、第五師爲一梯隊，陸戰三師爲預備隊，在直接火力準備的同時，第一批登陸部隊8個營完成了換乘。登陸灘頭在硫磺島的東海灘，從折鉢山山腳下沿海岸向東北延伸，總長3150米，從南到北依次每450米劃分爲一個登陸灘頭，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，孤立或攻佔島南的折鉢山，陸戰四師則在北面的四個灘頭登美軍第一波68輛履帶登陸車向灘頭衝擊陸，攻擊一號機場。
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，作爲第5陸戰軍第一梯隊的第4、第5陸戰師在硫磺島東部岸灘實施登陸。一開始由於日軍的抵抗十分微弱，登陸非常順利。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，後面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，艇上的登陸兵只好涉水上岸。見日軍只有零星的輕武器射擊，特納甚至認爲照此發展，只需五天就可佔領全島。但好景不常，登陸的美軍才推進了200餘米，日軍等美軍炮火開始延伸，慄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，美軍被完全壓制在灘頭，傷亡慘重，前進受阻。
陸戰5師因爲比陸戰4師晚了大約20分鐘遭到炮擊，而且炮火相對比陸戰4師遭受的要弱，所以先頭的28團一營得以利用這一機會，穿越島的最狹窄部，切斷了折鉢山與其他地區日軍的聯繫，二營則隨後向折鉢山發起了攻擊。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.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。
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，很快就成爲日軍反坦克炮的目標，被一一擊毀。美軍只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。