从表面看，美军出师首战不利，实际上，在战术方面，日本恰好是中计上当了，暴露了海军炮台的全部位置，给美军后来的进攻创造了极为便利的条件。
对于这一点，日本兵团司令栗林中将早有预见。他根据过去塞班岛和关岛的战斗经验，决定对美军在岸边登陆不予抵抗，待美大部队深入到一定地点以后，再集中火力炮击，以求一举歼灭。他早已命令部下不许开炮，但部下急躁冒进，沉不住气，待到后来觉察到犯了错误时，后悔已晚。
美军也吸取了过去岛屿进攻的经验教训，在大批登陆以前，先搞扫雷及侦察活动，投石问路，探明虚实，故意让日军暴露炮兵阵地位置。日军发炮还击，等于给美军指明了打击的目标，正中美军下怀，于是美军随即集中舰炮火力和飞机轰炸，把日军仅有的微薄炮兵防守力量全部彻底击毁。这些阵地上原有陆军1300人、海军640人，在美军海空猛烈的轰炸中，有70%被消灭。
此后，日军在地面上已无作战能力，只有退缩到地下阵地中去。
2月19日6时许，美军海上舰只全部出动，海军陆战队共3个师6.1万人，加上后续部队，全力攻占面积只有30多平方公里的小岛，这在战争史上是罕见的。
美军战列舰7艘，重型巡洋舰4艘，轻型巡洋舰1艘，驱逐舰10艘和小型炮舰5艘，在距南海岸一二公里处开始轰击，航空部队与其相呼应，120架战斗机对南海岸一带反复发射火箭和用机关枪扫射，投掷炸弹和凝固汽油弹，持续2个半小时后，岛上地面每一寸土地都被翻了一遍。
日军全部躲在地下工事里面，由于工事修筑得坚固，无数炸弹没有一颗能钻进地下来，但日军的心理承受却到了极限。
日军官兵在阵阵撕心裂肺的炸裂声中喘息，巨大的声响震人魂魄，剧烈的震动使身体无法平衡，就像是坐在不良轨道上疾走的运土车一样，忽高忽低六神无主。每个人都在想这次是不是要被活埋了，不少人下意识地捂住头上的钢盔，在惊恐中等待末日的来临。
海岸边的监视哨报告：“敌军炮击猛烈，看不清海岸线。土砂尘扬起10米左右，能见距离不到20米。”
正当全岛笼罩在弹片、砂石之中时，美军250艘登陆艇和500辆两栖装甲车于8时30分开始行动。登陆艇以百艘为单位排成横队，相互之间保持二三百米距离，一齐朝南海岸驶去。在猛烈的海空军火力支援下，10时30分，海军陆战队8个大队和1个战车大队登岸，开始攻占日军阵地。
守卫阵地的日军在激烈的炮击下无法钻出掩体射击，只有等待美军从海岸来到阵地前沿时，迅速跳出来展开白刃战。这种刺刀见红的近战战术很厉害，美军一开始很不适应，损失很大，有些部队甚至攻上去后无一生还。日军用47厘米口径速射炮对付正面进攻的美军装甲车，20辆被击中，3艘搭载装甲车的舰只被毁。战斗双方都打红了眼。
摺钵山的日本守军，从山麓到纵深七八百米地带，修筑起了两道阵地，迎击步步进逼的美军。
美军装甲车群一边缓慢进逼日军阵地，一边使用火焰喷射器喷出红色水柱状烈焰，转瞬间，日军第一道防线就被无情的烈焰所熔化，守军大部战死，残存的数十名官兵向第二线后退不得，只好潜入地下洞窟中去。日军坦克根本无法与美军装甲车相抗衡，47厘米口径炮弹命中美军装甲车也穿不透甲板，它们只有被动挨打，成为一堆堆废铁瘫在阵地上。这一天之内，摺钵山地区的日军守备部队已经丧失了有组织的抵抗。
美军登陆硫磺岛之后，他们觅路攀登摺钵山，升起美国国旗。20日上午，从清晨开始，美军又在猛烈炮火支援下攻向日军第二道防线，仍然是重型坦克开道，用厚甲板抵挡日军47厘米速射炮弹、步兵炮和野战炮的轰击，用炽热的火焰摧毁掩体和阻击堡垒，势不可挡。为了阻止美军进攻，日军组织“敢死队”抱着炸弹企图阻挡装甲车进攻，然而，这些“敢死队员”还未到坦克近侧，就被火焰烧成焦黑的尸体。日军第二道防线不久也被撕开了口子，像决了堤的水坝很快崩溃。当天傍晚，1700名日军死去多半，阵地大部分失守，炮台全部被毁，只能躲在地壕中伺机夜袭。
21日，日军采取散兵战与美军周旋。由于日军在暗处，美军不识地道交通网络，不少官兵死于冷枪之下。
22日，美军动用坦克封锁地下战壕进出口，火焰喷射器喷出长长的炽热火舌，舔吮着日军士兵的头部和身躯。火焰喷入日军地下战壕后，洞中岩石如同火炭般散发高温，洞内像冒火一样炎热难耐，而垂死的日军仍然拚命顽抗。
美军运用火攻初步见效后，又用含有白磷的手榴弹、烟幕弹在洞内引爆，打算把日军呛死、烧死或窒息而死。同时采用封口法，用炸药或推土机封口，将躲在洞窟深部的日军活埋在里面。洞内残存的日军已无还击能力，只有在黑暗的深洞内把鼻子紧贴地面，吮吸土中的空气。
23日，美军在硫磺岛最高峰摺钵山山顶升起星条旗。剩下的300余名日军在栗林司令官指挥下仍在洞内伺机反扑，战斗还在继续中。
3.反扑失败
摺钵山失守，日军硫磺岛残军大势已去。栗林司令官如果认清大势，体恤部下性命，本该下令投降。可是，顽固不化的军国主义头目非要强令官兵与他一起为天皇白白送命，这使美军也相应增加了伤亡数目。
美军登陆后的第10天，2月28日，已占领了硫磺岛南半部及千鸟机场和元山机场，整个岛上表面阵地已看不到日军影子。3月1日，美军采用摺钵山攻坚战术，把玉名山守敌赶进深洞，然后用钻岩机钻孔爆破，投入黄磷或烟雾弹毒杀残敌。
日军守备队中有10%想投降的人被处死，6%的人绝望自杀，被俘活命的只有5%，其余的全部战死。3月7日，完全陷入包围圈的日军混成第2旅1500余人，携带手枪、轻机枪、步枪，从深洞中冲出来，口喊“万岁”、“万岁”，对占绝对优势的美军进行自杀式冲击，结果全部毙命。
3月9日夜，千田旅团残余日军1600余人也在一片“万岁”的嚎叫声中冲向地面，无一幸存。
最后一次有组织的反攻是在3月27日。这天清晨，40名日军大刀队员在前面打头阵，300余名海军、陆军联合部队尾随其后，奇袭美军帐篷营地，双方展开肉搏战。美军是在睡梦中惊醒仓促迎战的，日军则是在精神、肉体遭受重创后，万死中求一生。战斗结束后清点：美军战死44人，88人负伤，工兵第5大队9人战死、31人受伤；日军262人死亡。
绝望中，日军栗林司令官在战壕洞口剖腹自，未遂，由中根参谋用军刀把他砍死，然后，中根自己也开枪自杀。
硫磺岛攻防战历时38天，日军死亡2.2万名，被俘1000余名；美军阵亡5500名，负伤1.9万多名。在一个不到30平方公里的小岛上，死伤这么多人，可见战争的残酷激烈。
在这次战斗中，日军神风特攻队40架飞机和15架重轰炸机攻击美机动部队，美护航航空母舰俾士麦海号被击沉，巨型航空母舰“萨拉托加号”重伤，还有战列舰1艘、巡洋舰2艘、驱逐舰9艘轻度损坏。
海军陆战队队员带着宝贵的国旗到达火山口边缘许多参加过此次战役的美军士兵都说那是“地狱里的战争”。整个战役只能用“血腥”来形容，双方都艰苦到极点。美军是以其先进的军事装备（尤其是火焰喷射器）才完全结束这场战斗。
美军的这次胜利可以说为攻击日本本土敲开了最后一个门户，自此日本人开始时时面临着被轰炸的危险。