美军1944年7月攻占马里亚纳群岛后，就开始大兴土木，建立航空基地，以便出动B—29重型轰炸机空袭日本本土。但马里亚纳群岛距日本本土将近1500海里，B—29由于受航程的限制，只能携带3吨炸弹，仅为其最大载弹量的30%。而且战斗机无法进行全程护航，因此B—29只能在8000至9000米高度实施面积轰炸，效果很不理想。
为了缩短奔袭距离，夺取硫磺岛势在必行。硫磺岛位于小笠原群岛南部，是该群岛的第二大岛，北距东京1200余公里（650海里），南距塞班岛1100余公里（630海里），东南距马里亚纳群岛500余公里（290海里）。岛长约8000米，宽约4000米，形状酷似火腿，面积约20平方公里。岛的南部有一座尚未完全冷却的死火山，叫折钵山，海拔160米，终年喷发着雾气，硫黄味弥漫全岛，故此得名。折钵山以北有一片比较宽阔平整的高地，称为中部高地，再往北，地形逐渐起伏，并有数座山峰，被称为元山地区。
虽然硫磺岛岛小人少，但正处在东京与塞班岛之间，战略地位非常重要。岛上的日军不仅可以向东京提供早期预警，而且可以起飞战斗机进行拦截，甚至还不断出动飞机攻击美军在塞班岛等地的机场，大大降低了美军对日本本土战略轰炸的作用。硫磺岛对美军而言，简直是如鲠在喉。
1944年10月初，太平洋舰队司令部的参谋人员就将进攻硫磺岛的计划制定出来。由于参战部队中相当部分正在支援对吕宋岛的登陆作战，硫磺岛战役只得等吕宋岛战役结束后的1945年1月才能开始。
在1944年前，日军仅仅把硫磺岛作为太平洋中部与南部的航空中继基地，只部署了海军守备部队1500余人和飞机20架。1944年马里亚纳群岛失守后，硫磺岛的重要性日趋明显，日军才开始大力加强其防御力量，截止1945年2月，日军在岛上陆军约1.5万余人、海军约7000余人，共约2.3万人，飞机30余架，由粟林统一指挥。日军在岛上的中部高地和元山地区各建有一个机场——千岛机场和元山机场。
由于日军的海空军主力在菲律宾战役中遭到了毁灭性的打击，已无力为硫磺岛提供海空支援，硫磺岛的抗登陆作战便是要在几乎没有海空支援的情况下进行。粟林曾担任过天皇警卫部队的指挥官。他意识到面对美军绝对海空优势，滩头作战难以奏效，主张凭借折钵山和元山山地的有利地形，依托坚固的工事，实施纵深防御。但海军守备部队仍坚持歼敌于滩头，最后粟林做出了折中的方案，以纵深防御为主，滩头防御为辅，海军守备部队沿海滩构筑永备发射点和坚固支撑点，进行防御；陆军主力则集中在折钵山和元山地区，实施纵深防御。
粟林决心将硫磺岛建成坚固的要塞，以折钵山为核心阵地，以两个机场为主要防御地带，在适宜登陆的东西海滩则是以永备发射点和坚固支撑点为骨干的防御阵地。日军的防御工事多以地下坑道阵地为主，混凝土工事与天然岩洞有机结合，并有交通壕相互连接。炮兵阵地也大都建成半地下式，尽管牺牲了射界，却大大提高了在猛烈轰击下的生存能力。火炮和通信网络都受到良好保护，折钵山几乎被掏空，筑有的坑道就九层之多！针对美军的作战特点，粟林在海滩纵深埋设了大量地雷，机枪、迫击炮、反坦克炮构成绵密火力网，所有武器的配置与射击目标都进行过精确计算，既能隐蔽自己，又能最大限度杀伤敌军。唯一不足的是，原计划元山地区将修筑的坑道工事有28公里长，由于时间不够，当美军发动进攻时只完成了70%，约18公里，而且折钵山与元山之间也没有坑道连接。
粟林一改日军在战争初期的死拼战术，规定了近距射击、分兵机动防御、诱伏等战术，还严禁自杀冲锋，号召每一个士兵至少要杀死十个美军。粟林的这些苦心经营，确实给美军造成了巨大的困难，使硫磺岛之战成为太平洋上最残酷、最艰巨的登陆战役。
为顺利夺占硫磺岛，从1944年8月10日起，驻扎在塞班岛的美军航空兵就开始对小笠原群岛进行不间断的空袭，重点是硫磺岛的机场和为硫磺岛进行物资补给的中转地父岛的港口设施。至1945年2月初，美军共出动舰载机1269架次，岸基航空兵1479架次，军舰64艘次，总共投掷炸弹6800余吨，发射大口径舰炮2万余发。由于日军的防御工事异常坚固，美军的火力轰击收效十分有限，对岛上两个机场也没能予以彻底摧毁，日军总能在空袭后迅速修复，而日军初步领略到了美军的火力，更加倾注全力修筑以坑道为骨干的防御工事。
最初，斯普鲁恩斯和尼米兹都认为攻占这样一个弹丸小岛，不会费多大力气，但看了对硫磺岛的空中侦察所拍摄的航空照片后，才知道在这个岛上极可能存在不同寻常的防御系统，史密斯中将仔细研究了航空照片后，表示这将是最难攻占的岛屿，并预计要付出两万人的伤亡。
2月10日，斯普鲁恩斯以“印第安纳波利斯”号重巡洋舰为旗舰，第58特混编队司令米切尔以“邦克山”号航母为旗舰，一起率领由16艘航母、8艘战列舰、15艘巡洋舰、77艘驱逐舰组成的航母编队驶离乌利西，经马里亚纳群岛和小笠原群岛以东，直扑日本本土。这是美军自1942年4月杜利特尔空袭东京以来航母编队第一次袭击日本本土。
2月16日，美军航母编队出动舰载机1000余架次，分成数个攻击波对东京湾各机场进行攻击。2月17日，美军又出动两个攻击波舰载机500余架次，对关东地区的机场、飞机制造厂、锚泊船舶等目标进行了轰炸。两天里，美军在空战中击落日机332架，在地面上击毁日机177架，给一些机场、飞机制造厂造成了一定破坏。这次空袭的效果不是很大，但却极大吸引了日军注意力，为硫磺岛战役创造了条件。当天下午，美军航母编队离开日本外海南下，参加硫磺岛作战。
2月14日，威廉·布兰迪海军少将率领由6艘战列舰、12艘护航航母、5艘巡洋舰、16艘驱逐舰组成的火力支援编队离开塞班岛前往硫磺岛。
2月16日清晨，布兰迪的火力支援编队到达硫磺岛海域，开始实施预先火力准备。所有战列舰、巡洋舰都被划分了地段，对已查明的目标逐一摧毁。为确保炮击的准确，有几艘战列舰甚至在距岸边仅3000米处对目标进行直接瞄准射击。但由于天气不佳，岛上又是硝烟弥漫，预定的750个目标只摧毁了17个，炮击效果很不尽如人意。日军只以部分中小口径火炮进行反击，击伤战列舰、巡洋舰各一艘，大口径火炮出于隐蔽考虑，一炮未发。
2月17日，美军水下爆破队在12艘登陆炮艇的掩护下探测海滩礁脉的航道，并清除水下的鱼雷和障碍物，粟林以为美军登陆在即，下令大口径火炮开火，将12艘登陆炮艇击沉9艘，击伤3艘，艇员阵亡、失踪44人，伤152人。美军大为震惊，立即对这些刚暴露出的目标进行轰击。
从16日至18日三天里，美军除了舰炮火力外，护航航母的舰载机也全力出击，而塞班岛的轰炸机也频频前来助战，对硫磺岛进行轰炸。这三天中，硫磺岛几乎完全被美军火力轰击的硝烟所淹没，日军只得龟缩在坑道里无法活动。据统计，美军在登陆前共消耗炮弹、炸弹24000余吨，硫磺岛上平均每平方公里承受了1200吨，但日军凭借坚固的地下工事，损失轻微。
2月19日6时，特纳率领的登陆编队到达硫磺岛海域，斯普鲁恩斯和米切尔指挥的航母编队也到达硫磺岛西北海域，此时，硫磺岛出现了少有的晴朗天气，天高云薄，微风轻拂。6时40分，美军舰炮支援编队的7艘战列舰、4艘重巡洋舰和13艘驱逐舰开始直接火力准备，航母编队一边担负空中掩护，一边出动舰载机参加对硫磺岛的航空火力准备。这次火力准备时间虽短，但因为天气晴朗，目标清晰可见，效果比较理想。
8时30分，第一波68辆履带登陆车离开出发点，向滩头冲击。
8时59分，舰炮火力开始延伸射击。
9时整，登陆部队海军陆战队3个师，准时开始登陆。登陆开始时非常顺利，日军的抵抗十分微弱，只有迫击炮和轻武器的零星射击，特纳甚至认为照此发展，只需5天就可占领全岛。
但好景不长，登陆的美军才推进了200余米，日军等美军炮火开始延伸，就从坑道进入阵地，根据事先早已测算好的数据，日军炮火准确覆盖了登陆滩头，一时间美军被完全压制在滩头，伤亡惨重，前进受阻。
陆战5师因为比陆战4师晚了大约20分钟遭到炮击，而且炮火相对比陆战4师遭受的要弱，所以先头的28团1营得以利用这一机会，穿越岛的最狭窄部，切断了折钵山与其他地区日军的联系，2营则随后向折钵山发起了攻击。陆战4师在日军猛烈炮火阻击下，几乎寸步难行。就在这危急时刻，美军的舰炮火力给了登陆部队以极其有力的支援。此次登陆，美军登陆部队每个营都配有舰炮火力控制组，能够及时召唤舰炮火力的支援，而空中的校射飞机也发挥了巨大作用，准确测定日军炮火位置引导舰炮将其消灭。可以说，在太平洋战争历次登陆战中，舰炮火力支援从没有像硫磺岛登陆战那样有效。美军全天共消耗127毫米以上口径舰炮炮弹38550发，火力支援之强，史无前例。
9时30分，美军的坦克上岸，随即引导并掩护登陆部队攻击前进。本该发挥巨大作用的坦克，大都陷入火山灰，动弹不得，少数几辆也行动蹒跚，很快就成为日军反坦克炮的目标，被一一击毁。美军只能依靠士兵用炸药包和火焰喷射器，一步一步向前推进，而每一步都要付出惨重的代价。
10时30分，美军已有8个步兵营和一个坦克营上岸，正竭力扩展登陆场。11时，风向转为东南，风力逐渐加大，给美军的登陆带来了很不利的影响。12时许，美军陆战4师23团才前进了450米，接着继续在火力支援下攻击前进，直到14时，才攻到一号机场。27团在海滩上被困40分钟之后，终于取得了突破，推进到了一号机场南端。
日落时，美军已有6个步兵团、6个炮兵营和2个坦克营共约3万人上岸，占领了宽约3600米，纵深从650米到1000米不等的登陆场，全天有566人阵亡，1858人负伤，伤亡总数约占登陆总人数的8%。就第一天的战况而言，还不算太糟糕。
天黑后，美军害怕日军发动大规模夜袭，海面上的军舰几乎不间断地向岛上发射照明弹，将黑夜照得如同白昼。出乎意外的是，日军通常会在登陆的当天夜间发动的夜袭根本没有发生，除了一些小股日军的袭扰外，太平无事。这是因为粟林深知自己的实力，坚决不采取自杀性的冲锋。
2月20日，从凌晨开始，美军舰炮就根据登陆部队的要求进行火力准备。8时30分，美军登陆部队发起了进攻，陆战4师在舰炮和坦克支援下攻占一号机场，并切断了岛南日军与元山之间的联系。机场刚刚攻占，工兵就开始全力抢修，以便尽快能投入使用。陆战5师向折钵山攻击，由于日军很多工事都建在舰炮火力无法射击到的岩洞中，在坦克到来前，28团几乎无法前进，最后在坦克掩护下，以手榴弹、炸药包、火焰喷射器逐一消灭岩洞中的日军，有时甚至出动推土机将洞口封闭，直到黄昏，才总共前进了180米。
2月22日，美军登陆部队因大雨被迫停止进攻，抓紧进行战地休整。三天来，美军在硫磺岛上阵亡、失踪人数已达1204人，负伤4108人。美国国内的新闻界甚至强烈要求“让陆战队喘口气——向日本人放毒气”。诚然，对付隐藏在坑道或岩洞中的日军，毒气既实用，又比火焰喷射器更为“仁慈”，尽管美、日两国都没有签署严禁使用毒气的《日内瓦公约》，但罗斯福总统和尼米兹都不愿违反公约。
2月23日，美军陆战4师以二号机场为目标发起总攻，但在日军永备发射点、坑道、地堡和岩洞工事组成的防线前，推进极为缓慢，简直像蜗牛爬行。全天只有右翼前进了约300米，左翼和中间几乎毫无进展。
这天唯一的战果是在折钵山——美军因其不断喷发烟雾，称之为“热岩”。日军几乎将整座山掏空，修筑有数以千计的火力点，尤其是山顶的观察哨，居高临下俯瞰整个东海岸，能准确指引、校正纵深炮火的射击，对于美军威胁极大。经四天血战，10时20分，陆战5师28团由哈罗得·希勒中尉率领的40人组成的小分队，终于攻上了折钵山山顶，升起了一面美国国旗，尽管折钵山上仍有近千日军凭借着坑道和岩洞工事拼死抵抗。4小时后，希勒的士兵又插起了一面更大的星条旗，美联社记者乔·罗森塔尔将插旗时的情景拍摄下来，这张照片随即广为流传，成为胜利的象征。后来太平洋战区总部还专门查询插旗的陆战队员的姓名和家庭地址，进行表彰。刚赶到硫磺岛视察的美国海军部长福雷斯特尔和第5两栖军军长史密斯注视着在折钵山山顶飘扬的国旗，非常激动，福雷斯特总结到：“折钵山升起的国旗意味着海军陆战队从此后五百年的荣誉！”海面上军舰上的水兵看到这面象征胜利的旗帜，欢声雷动！
同日，美军的航母编队在硫磺岛以东海域与海上勤务大队会合，接受海上补给，当晚再次向日本本土进发，以压制日军可能对硫磺岛的支援。
2月24日，战斗殊为激烈，陆战3师21团在海空火力的大力支援下，由坦克开道，终于突破了日军在二号机场南侧的防线，推进730米，拔除了日军近800个碉堡，日军随即发动了一次逆袭，21团猝不及防，一度被迫后退，随后在舰炮支援下拼死反击，才将阵地巩固。很快美军就发现，随着逐渐升高的地形，日军构筑了密如蚁穴的地堡和纵横交错的坑道网，凭借着这些工事抵抗越来越顽强。至当天，美军伤亡总数已达6000人，其中阵亡1600人。面对如此惨重的伤亡，美军将作为预备队的陆战3师师部和陆战第9团、野战炮兵第12团送上岛，投入战斗。
2月25日，三个陆战师开始在硫磺岛并肩攻击，4师在右，3师居中，5师在左，并列向东北推进。3月1日，美军经过激烈的鏖战，终于攻占了二号机场和元山村。
硫磺岛上的美军每前进一步，都要付出巨大的代价，战斗已经成为不折不扣的消耗，有时一整天只前进4米，惨重的伤亡甚至使军官们都没有勇气再将士兵投入战斗。在对岛上第二制高点382高地的争夺中，陆战4师屡屡陷入日军交叉火网，伤亡极其惨重，382高地因此被称为“绞肉机”，战斗部队的伤亡高达50%以上，有经验的连、排长和军士长伤亡殆尽，许多连队连长由少尉或上士担任，而排、班长大都由普通士兵担任。美军必须逐一消灭侧翼的日军阵地，解除侧翼威胁，才有可能向前推进，战斗异常残酷、激烈。直到3月2日，24团才攻上了高地，但所付出的伤亡是巨大的，有好几个连几乎全连覆没。
左翼的5师攻击362高地的遭遇与4师在382高地如出一辙：刚攻上山头，侧翼日军立即以密集火力封锁美军的退路，再以纵深火力和凶猛的反击将攻上高地的美军尽数消灭，美军死伤枕藉，却毫无收获，只得先消灭最突出部的日军阵地，再步步为营艰难向前推进。日军早已掌握了美军的攻击程序，先是航空火力准备，再是舰炮火力轰击，接着是地面炮火射击，最后才是步兵冲击，所以日军总在坑道里躲过美军的炮火，再进入阵地迎击步兵的进攻，一次又一次粉碎了美军的攻势。美军饱尝失利的苦果，终于痛定思痛，改变战术。3月7日拂晓，美军没进行任何炮火准备，借助黎明前的黑夜，悄然接近日军阵地，突然发起冲击，打了日军一个措手不及，一举攻占了362高地。
3月7日，美军发动总攻，担负中央突破的陆战3师势如破竹，进展神速，遇到难以克服的日军阵地就设法绕过去，继续向前推进，尽管给后续的陆战4师、5师留下不少“钉子”，但3师突破了日军的防线，并于两天后攻到西海岸，占据了一段约800米长的海岸，将日军分割为两部分。
3月9日，美军占领了尚未完工的三号机场。粟林得知美军突破防线、将日军一分为二，立即组织部队进行反击。他深知美军火力强，正面进攻难以奏效，所以进行的是夜间渗透反击。美军发现日军的行动，发射的照明弹将黑夜照得如同白昼，许多日军越过了美军的前沿防线，有的甚至渗透距离达1600米，但美军预备队和后方勤务人员，依托工事顽强抗击，给予反击日军重大杀伤。天亮时，日军的反击被彻底粉碎，伤亡至少1000人，徒劳无功，反而损失了大量有生力量。
3月10日，陆战3师将日军防线截为两段后，随即开始向两面扩张战果，分别策应陆战4师、5师的攻击。尽管日军的防御态势已经相当不利，但日军仍依托工事死战不退。5师的伤亡超过75%，许多战斗部队失去了战斗力，师部的文书、司机甚至炊事员等勤杂人员都投入了战斗。3师、4师的伤亡也很严重。
鉴于这种情况，陆战4师师长克利夫顿·凯兹少将向粟林和硫磺岛日军中战斗力最强的第145联队队长池田大佐发出劝降信，信中首先向他们无畏精神和英勇作战表示了尊敬，接着说明了目前无法取胜的处境，最后要求他们指挥所属部队停止抵抗，美军将保证投降日军根据《日内瓦公约》受到人道待遇。但劝降信没有回音。
3月16日，东北部的800余日军被歼灭，美军于当日18时宣布占领硫磺岛，但战斗仍在继续，粟林指挥残部依然在抵抗，有时战斗还相当激烈。陆战3师师长厄金斯少将找到两名日军战俘，给了他们很多干粮，还配备了一部最新式的报话机，然后让他们给粟林和池田带去劝降信。这两名战俘将劝降信设法交给了池田大佐的传令兵，但到了规定的时间期限，日军仍未投降。这两名战俘为美军的人道主义待遇所感动，竟留在日军防线里，通过报话机为美军炮火指引目标，一直到18日才返回美军战线。
3月21日，日本天皇晋升粟林为大将军衔，以表彰他的英勇作战。
24日，残余的日军被压缩在岛北部约2100平方米的狭小范围里。粟林于当晚焚毁了军旗，发出了最后的诀别电报，然后销毁密码，准备实施最后的决死反击。
3月25日，粟林派人设法通知岛上每一个人，于夜间携带武器在三号机场附近的山区集合。3月26日凌晨，粟林亲自率领约350名日军向二号机场的美军发起了最后反击，许多美军在睡梦中被杀。天亮后，美军组织扫荡，四处追杀这股残余日军，激战三小时，将这股日军大部歼灭，日军遗留在美军阵地前的尸体有250具，粟林负伤后切腹自杀。美军伤亡172人。美军于当天8时宣布硫磺岛战役结束，但清剿残余日军的战斗一直持续到4月底。
硫磺岛战役是美军攻占太平洋诸岛中流血最多的一场恶仗。陆战队员和水兵总共阵亡6821人，负伤1.9万人（各家的数字都不一致。美国约翰·托兰引用的数字是，美国海军陆战队死亡4554人，海军死亡363人）。航空母舰“萨拉托加”号受重伤，退出战斗，300多人伤亡。护航航空母舰“俾斯麦海”号被击沉，损失舰员350人。
日本守军2.3万人，除1083人被俘外，全部被击毙。
美军付出的代价很高，但硫磺岛的价值也的确很大：3月4日，第一架B—29“空中飞行堡垒”已在岛上紧急着陆。4月7日，108架P—51“野马式”战斗机飞离该岛，护送B—29于白天去轰炸东京。在美军占领后的3个月内，先后有850架B—29在硫磺岛紧急降落。从此，日本本土再无宁日。
美军下一个攻占目标就是冲绳岛。冲绳岛是琉球群岛的最大岛屿。琉球群岛又可分为三个群岛，从北到南依次是奄美群岛、冲绳群岛和先岛群岛，与台湾岛构成了一道新月形的岛链，成为日本本土在东海的天然屏障。冲绳群岛位置居中，距中国大陆、台湾和日本本土的距离分别是360、340、340海里。冲绳群岛由冲绳岛、庆良间列岛、伊江岛等岛屿组成，主岛冲绳岛南北长约108公里，东西最宽处约30公里，最窄处仅4公里，面积约1220平方公里。冲绳岛因其在日本本土防御中的重要的战略位置，被称为日本的“国门”，因此冲绳岛登陆战就被称做“破门之战”。
日军对冲绳的防御极其重视。自1944年7月马里亚纳群岛失守后，就开始重点加强冲绳岛的防守兵力和防御工事。
至1945年1月，日军在琉球群岛的守备兵力为第32军，共辖有4个师团和5个旅团，以冲绳岛为防御重点。牛岛满军长原计划以岛中部的两个机场为核心防御地带，先以海上和空中的特攻作战削弱来犯美军，再集中兵力将登陆之敌歼灭在水际滩头。美军进攻菲律宾后，最具战斗力的第9师团被调往台湾，引起了牛岛满极大不满，他随即以兵力不足为由，放弃了歼敌于滩头的计划，将防线从建有较完备工事的中部地区收缩到南部，依托筑垒地带实施持久防御。
为确保冲绳岛的防御，日军大本营于1945年3月制定了代号为“天号作战”的航空兵决战计划，集中了陆海军总计达2990架作战飞机，其中自杀性飞机1230架，分别部署在台湾、琉球和九州等地区，准备在美军登陆冲绳岛时对美军舰队和运输船只实施猛烈突击，配合岛上的第32军粉碎美军的登陆。
日本海军在冲绳岛及其附近岛屿部署有数百艘自杀性摩托艇和人操鱼雷，将对美军实施水面和水下的特攻作战。而联合舰队的残余军舰也将在适当时机出动，做最后的决死攻击。
当美军确定先不进攻台湾后，冲绳岛就成为美军进攻日本本土最理想的跳板。早在1944年10月，美国参谋长联席会议就向太平洋战区下达了攻占冲绳岛的指令。遵照这一指令，太平洋战区总司令尼米兹就立即开始组织有关人员筹划这一作战，参加此次作战计划制定工作的有第5舰队司令斯普鲁恩斯海军上将、太平洋战区两栖部队司令特纳海军中将、陆军第10集团军司令巴克纳中将、布兰迪海军少将、赖夫斯奈德海军少将和霍尔海军少将等。1945年1月3日，美军参谋长联席会议批准了冲绳岛作战计划，2月9日又批准了具体的登陆计划。
参战兵力几乎包括了太平洋战区所属的全部陆海军，负责为登陆编队提供海空掩护的有两支：一支是美军第5舰队的第58特混编队，由米切尔中将指挥；另一支是英国太平洋舰队，现属美军第5舰队建制，番号为第57特混编队，由英国海军中将罗林斯指挥。
登陆编队也称为联合远征军，由特纳中将指挥，登陆舰艇约500艘，护航及支援舰只有护航航母28艘、战列舰10艘、巡洋舰14艘、驱逐舰74艘、护卫舰76艘，舰载机约800架，连同后勤保障和运输船只，总共达1300余艘。
地面部队主力是第10集团军，由巴克纳陆军中将任司令，下辖海军陆战队第3军和陆军第24军。另有4个师为预备队，陆战2师为第10集团军预备队，陆军第27师为留船预备队，陆军第77师先担负攻占庆良间列岛和伊江岛作战，然后作为战役预备队，陆军第81师则是总预备队，在新喀里尼亚岛待命。共计10个师，18万人。
此次作战，美军投入总兵力达54.8万人，各种舰艇1500余艘，飞机2000余架，战役总指挥是第5舰队司令斯普鲁恩斯海军上将，战役代号“冰山”，意为如此庞大的参战兵力，仅仅是冰山露出水面的一角，犹如冰山水下部分的更大规模的部队将在登陆日本本土时出现。
登陆日期最后确定为1945年4月1日。美军认为冲绳岛距离日本本土较近，必定会遇到日军航空兵的全力反击，尤其是自杀性飞机的拼死撞击，尽管这些自杀性飞机并不足以改变战役的最后结局，但不可否认对于美军的威胁是巨大的。因此，美军计划在登陆之前，先以航空兵对日本本土、琉球群岛和台湾等地的日军航空基地进行大规模突击，以尽可能削弱其航空兵的力量。同时在登陆前一周，以陆军第77师在庆良间列岛登陆，建立前进基地，以便在战役中就近进行后勤补给和战损抢修。
为了给进攻冲绳扫清道路，3月18、19日，第58特混舰队对日本九州的飞机场和内海的舰船进行连续的大规模空袭。虽然美国重型航空母舰“富兰克林”号受重伤，800多名舰员丧生，损失飞机116架，但却重创日本军舰好几艘，击落和炸毁日本飞机211架，并使九州地区的各种设施和交通枢纽遭到严重破坏。
3月23日，第58特混舰队开始对冲绳进行登陆前的空袭。24日，美国第5舰队的几十艘战斗舰只开始炮轰冲绳。第二天，第77师等部队占领了冲绳西面24公里处的庆良间列岛，这是整个“冰山计划”的一部分。这些小岛兵力薄弱，日本人认为它们没有什么用处。但庆良间列岛对美军进攻冲绳起了很大的作用。这里可作水上飞机基地和后勤供应基地。3月27日，美军第一批供应船、油船、修理船、弹药船和其他辅助船只便开进庆良间锚地，开始为舰队服务。这样就在作战区域内建立起一个浮动的补给和修理基地，为第5舰队立下了汗马功劳。
在海空军对冲绳实施炮火准备期间，第5舰队的飞机出动3000架次进行轰炸，炮舰发射了5000吨炮弹。扫雷舰艇扫清了冲绳海岸四周4800平方公里的水域，使支援舰艇能安全靠近海岸，做近距离的轰击。水下破坏小组的蛙人也侦察了西海岸事先选好的登陆海滩，炸去大约2900根木桩，这是日军布下的预防登陆艇靠岸的障碍物。
4月1日，天气晴朗，美军的登陆终于开始了。来自旧金山、西雅图、夏威夷、新喀里多尼亚岛、圣埃斯皮里图岛、瓜达尔卡纳尔岛、塞班岛和莱特岛等地的美军登陆编队于拂晓时分到达冲绳岛海域，并开始换乘。4时许，特纳发出开始登陆的命令，美军炮火支援编队的军舰随即开始射击，掩护登陆部队抢滩上陆。
陆战2师首先在冲绳岛东南海岸登陆，实施佯攻以吸引、分散日军的兵力。8时，美军登陆的主攻部队从登陆舰上沿舷侧的绳网下到登陆艇上，登陆艇排成5个攻击波，以整齐的队形向岸上冲去，陆战1师、陆战6师和陆军第7师、第96师，在冲绳岛西海岸从北到南正面约9公里地段登陆。8时20分，美军飞机结束了最后一次扫射，舰炮也停止了射击，第一波登陆艇此时距海滩仅70米，海空协同完美无缺。8时32分，第一波登陆部队冲上岸。9时，太阳升起来了，阳光驱散了淡淡的晨雾，可以看到海面上履带登陆车和登陆艇排着整齐的队形，一波又一波，川流不息，秩序井然。整个登陆过程顺利得异乎寻常，日军根本没有任何抵抗，这使美军颇有些莫名其妙。
10时，美军占领嘉手纳和读谷两机场，美军原以为必定会有一番血战才能拿下这两机场，根本没料到能在登陆当天占领，而且机场设施都完好无损。日军部署在机场地区的是由冲绳岛壮丁组成的特种勤务旅，这支部队组织涣散，装备低劣，士气更差，美军还未到来，就已经溃不成军。
下午，美军突击进行物资卸载。海上，日军没有出动一架飞机、一艘军舰；冲绳岛上，日军也只有少数狙击兵的轻武器射击和迫击炮零星射击，抵抗极其轻微。
至日落时，美军已有5万余人和大量的火炮、坦克以及军需物资上岸，建立起正面约14公里，纵深约5公里的登陆场。美军对日军的神秘消失感到迷惑不解。巧得很，这天正是西方的愚人节，很多官兵甚至想难道这是日军的愚人节玩笑。
4月2日，美军一部开始向东推进，以切断日军防线。
4月4日，美军两个陆战师横跨整个岛屿到达东海岸的中城湾，占领岛中部地区，将日军防线一分为二。美军原计划15天完成的任务，仅4天就顺利实现。
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。
13时37分，三枚鱼雷命中左舷，海水大量涌入，舰体开始左倾，“大和”号有完善而庞大的注排水系统可以迅速消除舰体倾斜，但一枚450公斤炸弹正巧命中了注排水控制舱，将所有的调节阀门炸毁，无法进行排水，只得采取向右舷对称注水的办法，舰长甚至不等右舷最大的舱室主机舱和主锅炉舱的人员撤出就下令注水，两个舱室数百官兵很快被汹涌而入的海水淹死。总共向右舷注入了3000吨海水，牺牲了数百名舰员和全舰一半的动力，才使舰体稍趋平衡。这时“大和”号只能使用左舷一半的动力运转，航速锐减，再也无法进行有效的机动。即使付出这样巨大的代价，也还没将左倾消除。7分钟后，又有两条鱼雷命中左舷，刚刚有所恢复的左倾再度加剧，而且舵机失灵。“大和”号升起了遇难旗，航速只剩下7节，甲板上到处是弹洞，被炸开的钢板四下翻卷。由于左倾已达15度，大口径高炮已经无法操纵，只有25毫米的机关炮还能勉强射击。
14时2分，一批美机俯冲而下，投下的炸弹有三枚在左舷中部爆炸，使其左倾加大到35度。14时7分，一条鱼雷击中右舷，此时“大和”号上层建筑面目全非，全舰被浓烟烈焰包围，完全丧失了机动能力，防空火力微乎其微，又不能进行机动来规避，沦落到任人宰割的地步。
14时12分，4架美军鱼雷机冲出云层从容实施攻击，如同是在进行鱼雷攻击表演，投下的鱼雷有两枚命中左舷中部和后部。“大和”号升起了紧急求救信号旗，通知驱逐舰靠帮接走舰员。但驱逐舰知道“大和”号弹药舱里近2000发460毫米主炮炮弹只发射了3发，现在随时都有爆炸的可能，都不敢靠近。“大和”号的左倾急剧增大，舰员已经无法站立，很多人不等舰长下达弃舰命令就自行跳海逃生。舰长有贺见此情景，也知道“大和”号已经无可挽救，只得下令弃舰。
14时15分，又有一枚鱼雷击中左舷中部，伤痕遍体的“大和”号再也经受不住打击，左倾达到80度，甲板几乎与海面垂直，终于在14时20分倾覆沉没。此时，460毫米前主炮炮膛里的炮弹滑落下来，撞穿了弹药舱甲板，引爆了舱中的炮弹，剧烈的爆炸将“大和”号舰体炸断，烈焰冲天而起，翻滚的蘑菇状烟柱竟高达1000米，甚至连110海里外鹿儿岛的居民都看到了大爆炸的火光与浓烟，海面上顿时出现一个深达50米的旋涡。不多时，后主炮炮塔里的弹药在水下爆炸，钢铁的碎片从水下飞溅而出，爆炸的气浪连海面上挣扎的水兵都感到一阵窒息。伊藤中将和有贺大佐以下2498名舰员随舰葬身海底，只有269人获救。
在美军攻击“大和”号的同时，部分美机也对“矢矧”号巡洋舰发动了攻击，“矢矧”号已经丧失了机动能力，累计被击中7枚鱼雷和12枚炸弹，于14时5分倾覆沉没。
“矶风”号、“朝霞”号和“霞”号驱逐舰也先后遭到重创，不得不自行凿沉。
当“大和”号沉没后，第41驱逐舰大队大队长吉田正义大佐接替指挥，他一面组织残余舰只打捞落水人员，一面向联合舰队司令发电报告战况并请示下一步行动指示。16时39分，联合舰队司令丰田鉴于预期计划已无法实现，决定终止海上特攻，吉田随即率领余下的4艘驱逐舰带着创伤，于8日回到了佐世保基地。
美军的战列舰、巡洋舰编队还未投入战斗，日军的这支海上特攻舰队就被美军舰载机消灭了。美军共出动舰载机386架次，其中战斗机180架次，轰炸机75架次，鱼雷机131架次，仅有10架被日舰击落。
日本海军在冲绳海域活动的11艘潜艇，由于美军反潜兵力雄厚，警戒严密，未获任何战果反被击沉8艘。至此，日本海军对冲绳岛守军的支援均告失利。
冲绳岛上的地面战斗，在4月8日前一直比较顺利。4月4日美军陆战1师和陆战6师攻占中部地区，将日军分割为南北两部分后，美军就兵分两路，海军陆战队第3军向北，第24军向南，逐步推进。4月21日，全部占领冲绳岛北部地区。
4月16日，攻占庆良间列岛的第77师在冲绳岛西面的伊江岛登陆，经过5天的战斗，于21日将该岛占领。
但陆军第24军对南部地区的进攻却非常艰难。日军在冲绳岛的主力就部署在南部，而且充分利用悬崖峭壁、深沟高谷等险峻地形构筑起坚固隐蔽的防御工事，所以美军进展极其缓慢。牛岛原本在大本营的一再督促下，准备于4月8日发动对机场总反击。但在4月7日下午，发现那霸附近海面有美军数百艘舰船活动，他担心美军会从反击部队的侧后实施登陆，加上他本来对这次反击就不积极，正好以此为借口取消了反击，而将全部兵力用于依托工事进行坚守防御。
4月9日，24军推进严重受阻，美军只得将留船预备队第27师投入南线作战。4月13日，星期五，黑色的日子。美国总统罗斯福在佐治亚州温泉逝世。美军上至上将司令，下至普通一兵，无不感到震惊和悲痛。日军乘机大做文章，大肆散播题为“美国的悲剧”的传单，声称特攻作战将击沉美军所有战舰，并使无数人成为孤儿。日军大本营急不可耐地催促牛岛抓住时机发动反击。牛岛发动了反击，但他并没按照大本营的指示投入全部力量，而是保留了相当部分的兵力，只投入了部分兵力对嘉数高地的美军进行反扑。日军先以敢死队员怀抱炸药采取自杀性攻击方法炸毁美军坦克，再对失去坦克掩护的美军步兵发起冲锋。美军在日军冲击下，节节败退，死伤将近5000人，全凭后续部队的重炮和海空优势火力才遏制了日军的攻势。
4月19日，美24军三个师从那霸以北约6.5公里处发动大规模进攻。5时40分，海军的6艘战列舰、6艘巡洋舰和8艘驱逐舰先对日军阵地进行猛烈炮击；6时，陆军27个炮兵营对日军阵地进行了长达40分钟的炮击，共发射了1.9万发炮弹；接着海军和陆战队的650架飞机也对日军阵地实施了航空火力准备，投下大量的炸弹和凝固汽油弹。在这样猛烈持续的火力打击后，24军发起了进攻。但日军利用坑道躲避美军的轰击，当美军炮火开始延伸、地面部队展开攻击时，才进入阵地迎战，因此美军的攻势一次次被瓦解。日军充分显示了顽强的战斗意志，每一个山头，每一个碉堡，每一个坑道，甚至每一块岩石，美军都必须经过多次血战才能夺取下来。激烈的战斗整整进行了5天，美军的进展总共也不过数米！一切就像是硫磺岛战斗的重现，并且日军的兵力和要争夺的面积更多。
美军推进至日军主要防线约4500米前，双方陷入僵持。巴克纳乘机调整部署，以加快作战进程。
4月24日，美军克服日军的顽强抵抗，突破了牧港防线。
5月4日，牛岛见美军步步进逼，为争取主动，一反其一直以来所坚持的坚守防御方针，发动了孤注一掷的总反攻。以部分兵力由驳船运送到美军战线后方海岸实施登陆，配合主力从正面发动的攻击。但由于得不到海空军的有力支援，登陆部队在航进途中被美军发现，随即遭到驱逐舰和地面炮火的轰击，还未上岸就被消灭了。正面主攻部队一离开坚固隐蔽的防御工事，立即遭到美军优势炮火的集中轰击，不到24小时反攻就被粉碎了。牛岛这次反击得不偿失，损失大量人员，消耗了大量弹药，尤其是消耗的弹药难以补充，使日军的弹药储备接近枯竭，牛岛不得不下令节省弹药，每门炮平均每天只有10发炮弹。
5月8日，纳粹德国宣布战败投降，冲绳海面的每一艘美军军舰向日军阵地发射三发炮弹，以示祝贺。
美军投入了新型的喷火坦克和重型坦克，冒着日军的枪林弹雨，碾压日军的战壕，冲入日军的阵地。喷火坦克将凝固汽油射入日军隐藏的山洞和坑道，日军终于支撑不住，其防线逐渐被突破。但牛岛随即在夜色和烟雾掩护下，悄然组织部队有序地撤往下一道防线。因此，战斗发展成这样一种模式：日军先是凭险死守，接着美军在猛烈火力支援下取得突破，日军后撤到下一道防线再死守，如此周而复始，日军防区逐渐缩小。
美军占领了冲绳岛上的嘉手纳和读谷两处机场后，迅速进驻了大量战斗机部队，并以该两处机场为基地频繁出击，这对日军的神风特攻作战威胁很大。日军曾多次试图组织反击夺回机场，或是因为情况变化中途取消，或是因为实力不济反击未果。最终决定机降一支敢死空降分队，破坏机场设施，摧毁机场上停放的飞机，然后利用空降突击的战果发动一次航空兵的大规模攻击。这次作战由联合舰队司令丰田指挥，从陆军伞兵第一旅抽调了120名精锐官兵组成空降分队，奥山少佐任分队长，代号为“义烈空降队”，由12架“九七式”轰炸机运送，作战代号“义号作战”。
5月24日天18时40分，运载“义烈空降队”的12架飞机陆续起飞，但只有4架于22时抵达目的地。日机以机腹着陆方式在机场上降落，突击队员不等飞机完全停稳，就从机舱中跳下，向机场上停放的飞机投掷手榴弹和燃烧弹，顿时两处机场都燃起冲天大火。美军守备部队急忙开火还击，经过短暂交战，在两处机场上降落的突击队员连同机组人员共56人全被消灭，美军亡2人，伤18人，有7架飞机被击毁，26架飞机被击伤，还有7万余加仑的航空汽油被烧毁，损失巨大。嘉手纳机场的大火到26日20时才被扑灭，读谷机场上的大火更是燃烧了三天三夜，直到27日早上才被扑灭，两机场因此瘫痪了近三天三夜。日军在如此不利的战局下，特别是基本丧失制空权的情况下敢于实施这样一次敢死空降突击，完全出敌不意，取得了不小战果。
冲绳岛上的激战仍在进行。5月31日，美军终于取得了重大进展，突破了日军核心防御地带首里防线，海军陆战队攻入了已是一片废墟的首里城。第10集团军司令巴克纳满心喜悦，以为冲绳首府被占领，意味着战斗即将结束了。但他想错了，日军困兽之斗反而更加疯狂！牛岛率余部后退了约10公里，退到岛南端精心准备的最后防线。这是由两座山峰构成的天然屏障，地势崎岖险峻。日军充分利用地形，筑有巧妙隐蔽的炮位和坑道工事，要战至最后一兵一卒。美军主要依靠喷火坦克开路，不少浑身着火的日军冲出阵地，抱住美军士兵同归于尽，美军前进每一米依然非常艰难。美军还以更猛烈的炮火，对日军据守的岛南部几平方公里地区进行了最猛烈的轰击。日军虽然只剩下3万余人，大炮也损失过半，弹药更是所剩无几，但仍是死战不退。
6月3日，哈尔西急于从被动挨打的冲绳海域争取主动，一面在冲绳群岛各岛屿设立雷达站，形成早期预警雷达网；一面从菲律宾调来了部分海军陆战队航空兵的战斗机部队，进驻冲绳岛机场。然后亲率第38特混编队北进，袭击日军在九州地区的航空基地。
6月4日，美军陆战6师的两个团在那霸西南的小禄半岛登陆，迂回攻击日军侧背。6月17日，美军又投入预备队陆战2师，该师一个团在冲绳岛南端的喜屋武岬附近登陆，协同正面和侧翼友军围歼日军。此时日军的局势已十分被动，遭到全歼只是时间问题了。为了避免不必要的伤亡，巴克纳用明码电报和广播向日军劝降，牛岛根本不为所动，以枪炮射击作为答复。
6月18日，巴克纳中将亲临前线督战，当他在陆战8团团部附近小山上观察部队推进时，日军一发炮弹飞来，四下崩飞的弹片和尖锐的碎石片击中他头部，当场身亡。他成为美军在整个太平洋战争中阵亡的军衔和职务最高的将领。第10集团军司令由海军陆战队第3军军长盖格少将代理，盖格因此成为指挥最多陆军部队的海军陆战队将军。
6月19日，牛岛在编号第89的山洞坑道里向东京发出了最后的诀别电，然后指示部下做最后的决死进攻。
6月22日，美军突破日军的最后防线，攻到了冲绳岛最南端的荒崎，并将残余日军分割成三部分。日军都很清楚，末日就要到来了。在坑道里，卫生兵给伤员注射大剂量的吗啡，使他们平静地死去。
6月23日凌晨4时，牛岛知道美军即将占领他所在的摩文仁坑道，脱下军装，换上和服，与身边的参谋一一干杯，喝完了最后的诀别酒，然后剖腹自杀。他的参谋长追随他剖腹自杀，还有一些军官也随之集体自杀。至此，日军有组织的抵抗才告平息，而零星日军的抵抗仍在继续。
7月2日，尼米兹正式宣布冲绳战役结束。但日军残部还没彻底肃清，直到战争结束的9月7日，还有日军在坚持战斗。
战役进入尾声后，有相当多的日军放下了武器，这在以前是非常罕见的。6月15日前，两个半月的战斗中，美军总共才俘虏日军322人；而从6月15日到6月30日，日军不仅有个人或小组投降，甚至还有成建制的部队在军官带领下投降，仅海军陆战队第3军就收容日军投降人员4029人。
冲绳战役，从3月18日美军航母编队袭击九州开始，至6月22日冲绳岛战斗基本结束，历时96天，其中在冲绳岛上的激烈战斗就有82天之久。日军包括“大和”号战列舰在内的16艘水面舰艇和8艘潜艇被击沉，约4200架飞机被击落击毁。10万守军除9000余人被俘外，其余全部被歼，冲绳岛的平民有7.5万人死伤。美军有32艘舰船被击沉，368艘被击伤，损失舰载机763架，阵亡1.3万受伤3.6万人，另有2.6万人非战斗伤亡。此役是美军在太平洋战争中伤亡最大的战役。因此，英国首相丘吉尔认为，冲绳战役将以史诗般的战斗，列入世界上最激烈、最著名的战斗而流传后世。
美军以如此巨大的代价攻占冲绳群岛，打开日本本土的西南门户，取得了进攻日本本土的海空基地，为在日本本土登陆作战创造了有利条件。