日军原计划在美军实施冲绳岛登陆时发动代号为“天号作战”的航空兵战役，集中陆海军飞机对美军登陆舰艇进行攻击。当3月26日美军在庆良间列岛登陆时，日军就判断美军对冲绳的登陆已经开始，海军联合舰队司令丰田副武大将立即下令实施“天号作战”，但作为“天号作战”主力的海军驻九州地区第5航空舰队的岸基航空兵，在3月18日、19日反击美军对九州地区的空袭中损失惨重，已无力组织大规模作战。而海军其他航空兵部队大多还在训练中，陆军的航空兵则还没来得及调到九州，因此，日军只出动了少量飞机进行攻击，从3月26日至31日，包括侦察机在内，出动的飞机才100架次，其中自杀性飞机约20架次。尽管“天号作战”草草收场，出击的自杀性飞机数量虽少，还是给美军造成了一定的损失。3月31日，美军第5舰队司令斯普鲁恩斯的旗舰“印第安纳波利斯”号重巡洋舰就被日军的自杀性飞机撞中，舰体被撞出两个大洞，紧急前往庆良间列岛抢修，斯普鲁恩斯只得改旗“新墨西哥”号战列舰。至4月5日，日军共击沉快速运输舰1艘，击伤包括战列舰2艘、护航航母1艘、巡洋舰3艘在内的39艘各型舰艇。
4月5日，丰田副武觉得面对美军数千艘舰船，少量飞机的出击根本无济于事，为配合岛上的抗登陆作战，决定从次日开始对美军在冲绳海域的舰艇实施大规模空中攻击，飞机总数达4000架，作战代号为“菊水”，菊水就是水中的菊花，这是14世纪著名武士楠木正成的纹章图案。楠木在众寡悬殊的战斗中立下“七生报国”的誓言，意为即使死去七次也要转生尽忠，他就因在战斗中与敌同归于尽的壮举而为后世所推崇。从这一代号的命名就可看出，日军的这次攻击显然是以自杀性的特攻作战为主。日军将执行这种自杀性攻击称之为“神风特攻队”。所谓特攻，是指出击的飞机只携带单程燃料，而将空余的载重量全部携带炸弹，然后对美军军舰的要害部位，如烟囱、机舱、弹药舱等进行撞击，以达到“一机换一舰”的目的。这种极其野蛮的自杀式攻击，在冲绳岛战役中达到了登峰造极的地步！
4月6日、7日，日军以九州的第5航空舰队和第6航空军为主要兵力，台湾和先岛群岛的第1航空舰队和第8飞行师团为辅助兵力，出动海军飞机462架，陆军飞机237架，共699架，其中自杀性飞机355架。击沉美军驱逐舰3艘、坦克登陆舰一艘和万吨级军火船2艘，击伤战列舰、航母、护卫舰和布雷舰各1艘、驱逐舰8艘，美军伤亡有数百人之多。尽管战前美军就估计到了日军会发动自杀性攻击，但日军攻击之疯狂、美军损失之惨烈，仍令美军胆战心惊。日军将这两天的战斗称为“菊水一号”作战，出击的日机共被击落335架，约占出击总数的48%。
4月12、13日，日军发动了“菊水二号”作战。因为“菊水一号”作战中损失的飞机还没来得及补充，所以出击的飞机数量要比第一次少，海军出动200架，陆军192架，共392架，其中自杀性飞机202架。由于兵力不足，日军在攻击战术上作了一些改进，先出动战斗机吸引美军的战斗机，当美军战斗机燃料耗尽返回母舰时，攻击机才飞临目标上空进行攻击，同时日军还开始使用一种新式武器——“樱花弹”，实际上是火箭助推的载人航空炸弹，由攻击机携带到达战区后脱离载机，由敢死飞行员驾驶冲向目标，装有一吨烈性炸弹，由三台固体燃料火箭发动机推进，时速高达800公里，威力很大，美军则称之为“八格弹”，这种武器给美军造成了不小的损失。此次作战，日军共击沉美军驱逐舰、登陆舰各1艘，击伤战列舰1艘、驱逐舰6艘、护卫舰3艘，扫雷舰、布雷舰和登陆舰各1艘，日军损失飞机205架。
4月中旬开始，美军为了减少损失，在日机最有可能来的方向派出雷达警戒舰，当发现日机飞来，一边发出预警，一边引导空中的战斗机前去拦截。此外，还在刚占领的冲绳岛机场上布置大量战斗机，专门用于截击日军来犯飞机。
4月16日，日军发动“菊水三号”作战，出动海军飞机391架，陆军飞机107架，共498架，其中自杀性飞机196架，击沉运输舰和军火船各1艘，击伤航母、驱逐舰、医院船各1艘，运输舰2艘，日机损失182架。在此次战斗中，美军的“拉菲”号驱逐舰浴血苦战，赢得了“不沉之舰”的荣誉，成为美国海军勇敢和坚强的象征。在350名舰员中，死亡32人，伤71人，几乎占1/3。次日被拖船拖到庆良间列岛锚地进行紧急抢修。4月22日就能依靠修复的自身动力驶到关岛，最后于5月22日驶抵本土西雅图，在托德船厂进行大修，直到战争结束后的9月6日才修复。
日军这三次“菊水”作战都是在白天进行的，虽然容易发现美军目标，也取得不少战果，但代价也相当巨大。对日军而言，无论是损失的飞机，还是飞行员都很难迅速补充，因此随后的“菊水”作战，日军只得改为夜间攻击。
4月21日和22日，日军出动飞机317架，其中自杀机131架，实施“菊水四号”作战。5月4日和11日，日军为弥补损失的飞机，将水上侦察机也改装成自杀机，投入特攻攻击，共出动飞机597架，其中自杀机300架，又先后发动了“菊水五号”和“菊水六号”作战。5月24、25日和5月27、28日，日军又将教练机改装成特攻机，以增加特攻机的数量，接连发起了“菊水七号”和“菊水八号”作战，总共出动飞机737架，其中自杀机208架。6月3日和21、22日，日军竭尽全力，出动飞机502架，其中自杀机114架，发动了“菊水九号”和“菊水十号”作战。
美军逐步摸索出对付日军自杀机的方法，首先，除雷达警戒舰外，还派出预警雷达飞机，严密监视日军最可能出击的方向，并在冲绳岛和附近小岛上建立雷达站，实施严密对空警戒；其次，运用统筹学原理，科学组织舰船的防空机动，大型军舰与日机来袭方向保持垂直，小型军舰则与日机攻击航向平行，同时采取突然急转和增速，使日机难以对准目标；最后，加强战斗机空中巡逻警戒，随时根据雷达预警的报告进行拦截。而日军的情况正好相反，因为进行自杀性攻击的飞行员没有一个能够回来报告攻击经验和体会，因此无法针对美军的战术变化进行必要的改进。此外，最早的以献身为荣、毫不畏死的神风特攻队飞行员已经损失殆尽，后来的飞行员大多是迫于压力而出击的，认为这种牺牲没有意义的厌战情绪逐渐在日军内部蔓延，甚至有些飞行员以没有发现美舰为借口返回基地。最终，日军的攻击效果越来越小，而飞机和飞行员因为损失又得不到补充，能够出动的飞机越来越少，“菊水”作战才告结束。整个冲绳战役中，日军出动的神风特攻队飞机，包括樱花弹，共计1500余架次，击沉美舰26艘，击伤202艘，而自身被美军击落900余架。
日军除十次大规模的“菊水”作战外，只要天气允许，每天还组织小批飞机出击。从4月6日至6月22日，零星出击的飞机总数也高达4109架次，其中自杀机917架次，加上十次“菊水”作战出动的飞机，总计7851架次，其中自杀机2423架次，被击落4200余架。美军损失巨大，被击沉军舰33艘，击伤360余艘。在美军被击沉的33艘军舰中，26艘是被自杀机击沉的，占沉没军舰总数的78.8%。就连米切尔的旗舰“邦克山”号航母也于5月11日“菊水六号”作战中被两架自杀机撞中，损伤极其严重，舰员死亡和失踪达396人，伤264人，其中一架自杀机撞上母舰时爆炸的气浪弹飞进米切尔的司令部所在舱室，使舱内14名参谋军官当场阵亡，米切尔只好率司令部的其余人员转移到“企业”号航母上。不料三天后，“企业”号也遭到了自杀机的撞击，失去航行能力，米切尔在三天里两易旗舰。
由于日军自杀机的疯狂攻击，美国海军的高级将领不得不一直留在冲绳海域指挥作战，他们在这80多天里，神经一直处于高度紧张，身心压力巨大。尼米兹为了保证战役指挥，采取了前所未有的举措，在战役进行中更换指挥官。5月28日，哈尔西、麦凯恩和希尔分别接替斯普鲁恩斯、米切尔和特纳，第5舰队和第58特混编队也改称第3舰队和第38特混编队。
日本海军联合舰队经莱特湾一战后，其主力已折损大半，残余的水面舰艇退至文莱，整编为第2舰队，由伊藤整一海军中将接替因在莱特湾海战中出现重大指挥失误而被撤换的栗田健男出任司令，并于1944年11月24日回到日本本土的吴港。1945年3月17日，联合舰队判断美军对冲绳的登陆迫在眉睫，遂命令第2舰队前出至濑户内海西部的德山锚地，做好随时出击的准备。
4月5日，联合舰队决定以第2舰队的“大和”号战列舰、“矢矧”号巡洋舰和“冬月”“凉月”“矶风”“滨风”“雪风”“朝霞”“霞”“初霜”号等8艘驱逐舰组成海上特攻队，配合“菊水一号”航空特攻作战，于4月8日拂晓突入冲绳以西海域，歼灭美军登陆编队，支援冲绳岛上守军夺回机场。由于燃油严重短缺，联合舰队费尽九牛二虎之力才搜集到2500吨燃油，还不到“大和”号燃油舱容量6400吨的一半，勉强能保证前往冲绳的单程油耗所需，而且因为航空兵力全数投入“菊水”作战，对这支出击的舰队没有任何空中掩护，完全是一次地道的彻底的自杀性海上特攻行动。参战官兵都清楚此次作战有去无回，充满着赴死前的悲怆与凄然。
4月6日下午，“大和”号全舰3000官兵在甲板上集合，听舰长宣读联合舰队司令丰田副武发来的出击命令，随后全体高唱国歌、军歌，然后拔锚起航。由于下关海峡已被美军布设的鱼雷封锁，日军舰队只得经丰后水道沿九州岛南下。
4月7日6时，舰队通过大隅海峡，经九州岛最南端的佐多岬后，伊藤决定以280度航向先向西，尽量避开美军飞机的搜索，到黄昏后再转向冲绳。
其实，早在日军舰队经过丰后水道时，就已经被美军“线鳍鱼”和“棘鱼”号潜艇发现了。这两艘潜艇任务是监视丰后水道的日舰活动，因此都没有对日舰进行攻击，只是将敌情迅速向斯普鲁恩斯报告。斯普鲁恩斯立即命令戴约少将指挥第54特混编队的6艘战列舰、7艘巡洋舰和21艘驱逐舰，从冲绳海域迅速北进，尽可能引诱日军舰队向南，使其得不到岸基航空兵的支援，也不能迅速撤回本土，以利第58特混编队的航母舰载机实施攻击；如果舰载机未能将其消灭，第54特混编队的战列舰和巡洋舰就以舰炮火力歼灭之。同时命令米切尔的第58特混编队做好战斗准备，占领有利的出击位置。
4月7日拂晓，第58特混编队出动了约40架飞机，呈扇面搜索冲绳北面海面。8时32分，“埃塞克斯”号航母的侦察机在甄列岛西南发现了日军舰队正以12节航速300度航向行进。正在空中巡逻的从庆良间列岛起飞的2架水上飞机闻讯后，立即赶到目标所在海域跟踪监视。9时15分，米切尔派出了16架战斗机对日舰进行跟踪监视。10时整，美军第一攻击波起飞F6F“恶妇”战斗机132架，SB2C“俯冲者”俯冲轰炸机50架，TBF“复仇者”鱼雷机98架，共计280架，向日舰所在海域飞去。所有出击的飞机，每架俯冲轰炸机挂载两枚450公斤半穿甲弹，鱼雷机则挂载一枚MK—13鱼雷，甚至还有部分战斗机也携带了一枚225公斤炸弹，用于攻击敌舰。
12时30分，美机飞临日舰上空，日军舰队排成菱形队形，“大和”号居中，巡洋舰和驱逐舰则在其四周，正以26节航速行进。当美机冲出低垂的云层展开攻击时，“大和”号上的24门27毫米高射炮和156门25毫米机关炮一起开火，同时其他日舰也以全部炮火开始对空射击，一时间天空中炮声轰鸣，弹片横飞。美机冒着密集弹雨迅速占据有利的攻击阵位，从各个方向和角度投下了鱼雷和炸弹，战斗机则用机枪猛烈扫射，压制日舰的对空火力，美机攻击凶猛异常。“大和”号在舰长有贺幸作海军大佐指挥下，不断进行高速大角度机动，以规避呼啸而来的鱼雷、炸弹，但仍有一枚鱼雷命中左舷前部，两枚225公斤炸弹在主桅杆后面爆炸，炸开了装甲厚实的舰尾雷达室，里面的官兵尽数被炸死，观测仪器全部被毁。但“大和”号凭借着坚固的装甲防护，仍能以18节航速继续航行。“矢矧”号巡洋舰被一枚鱼雷和一枚炸弹击中，完全失去了机动能力；“滨风”号驱逐舰被一条鱼雷和一枚炸弹命中，舰体断裂，于12时47分沉没；“凉月”号驱逐舰被450公斤炸弹命中，燃起大火；“冬月”号被两发火箭弹击中，幸运的是都没爆炸，逃过一劫。13时10分，第一波美机投完了所携带的鱼雷、炸弹，返回母舰。
13时35分，美军第二攻击波到达日舰上空。持续不断的攻击使日军没有喘息之机，疲于应付，让美机连连得手。美机的攻击有章有法，节奏分明。首先战斗机扫射，压制日舰高射炮火，并乘机投下所携的炸弹，接着鱼雷机集中对“大和”号左舷进行攻击，这时“大和”号航速大减，高射炮炮手多被美军战斗机消灭，毫无还手之力。