1944年10月13日，美参谋长联席会议发出指令，在结束菲律宾群岛的战役后，预定1945年1月在小笠原群岛至琉球群岛一线占领一至数处；在3月占领琉球群岛一至数处，为在日本本土登陆创造条件。此外，美军在北太平洋方向还不断地对千岛群岛的日军基地实施航空火力袭击，从北方牵制日军。
1945年初，在盟军控制了菲律宾群岛大部后，日军在太平洋战场的处境急剧恶化。为了挽救败局，日本最高战争指导会议和日本大本营陆海军部相继发布了“帝国陆海军作战计划大纲”和“决战非常措施纲要”，提出要最大限度地从中国和南方资源地获取战略物资；在国内要不惜一切手段加快重要军事物资的生产。同时，确定下一步的作战重点是挫败美军继续向日本本土的逼近，确保中国的台湾、琉球群岛、小笠原群岛和南千岛群岛等日本本土前岛屿的安全，为日本本土的防御创造条件。日本大本营要求陆海军在上述岛屿的作战中，以持久作战拖住美军，消耗其实力。与此同时，在外交上日本开始与苏联接触，企图使苏联不参加对日作战，同时企图通过苏联的外交斡旋寻求与盟军妥协的可能性。
自1944年6月底至1945年2月上旬，美军凭借其强大的海空力量，对硫磺岛进行了长达6个月的火力袭击。总计投弹1.3万余吨，发射炮弹1.5万余发。在登陆的前三天，美航母特混编队还对日本本州及东京进行了空袭，主要突击目标为机场、海军基地和其它重要的军事目标，以达到孤立硫磺岛的目的。与此同时，美海军出动32艘潜艇，进行了海上封锁，从而使硫磺岛完全处于孤立状态。在美航空母舰编队空袭日本本土的同时，2月16日、17日和18日，美海军的两栖支援编队和舰炮掩护队还对硫磺岛的滩岸和纵深防御阵地进行了舰炮火力准备，共发射炮弹7500余吨。在美军登陆的当天，即2月19日零时前2小时20分，美海军开始登陆前的直接火力准备（美军曾称此次舰炮火力准备为第二次世界大战中最猛烈的一次）。参加直接火力准备的有：战列舰7艘、重巡洋舰4艘、轻巡洋舰3艘和驱逐舰10艘。同时，舰载机也用火箭、炸弹和凝固汽油弹实施了航空火力准备。此次火力准备共持续32小时20分钟，发射炮弹和投掷炸弹3.8万余发。
据统计，在登陆前美军进行的预先火力准备和直接火力准备中，美军共消耗炸弹、炮弹2.4万余吨，硫磺岛上平均每平方公里落弹1200余吨。但是，由于日军的工事构筑隐蔽，深入地下，美军火力准备的效果并不明显。据美军自己估算，原先准备通过火力摧毁硫磺岛上914目标，但实际只破坏了其中的194个。
2月19日上午9时，作为第5陆战军第一梯队的第4、第5陆战师在硫磺岛东部岸滩实施登陆。整个突击登陆的过程几乎按原计划进行，十分顺利。但由于大量美军拥挤滩头，加之遭到隐蔽工事中日军的反击，从而影响了美军后续部队的登陆速度。美军第一梯队上陆后，第5陆战师分兵进攻摺钵山和一号机场。第4陆战师派遣部分兵力向一号机场进攻，另一部沿海岸向北发展进攻。到2月19日日终，美军约3.3万人上陆，切断了摺钵山与其他地区的联系，并占领了宽3600米，纵深北面为630米、南面为990米的狭小登陆场。在这个登陆场内，美军拥挤了6个陆战团、6个炮兵营和2个坦克营。当天美军伤亡2400多人。入夜，坚守在各防御工事里的日军乘美军立足未稳，曾多次组织小部队出击和渗透，但均被美军击退。到2月20日，美军终于占领了一号机场。
登陆美军经过2月21日一天休整后，在航空兵和炮兵的支援下，22日又重新发起了进攻。24日，美军第28陆战团经过苦战攻占了摺钵山。24日日暮时，美第4和第5陆战师开始向北进攻，并完成了对二号机场的进攻准备。当天，作为第二梯队的第3陆战师登陆完毕。从2月25日起，美军3个陆战师的兵力一线展开向岛的北部进攻，第4陆战师在右，第3陆战师居中，第5陆战师在左。日军曾多次发起反击，虽一度夺回失地，但因处于明显劣势，最后仍不得不后撤。3月1日，美军占领了第二号机场。至3月9日，美军又相继攻占了硫磺岛北部日军正在修建中的第三号机场和两个高地，将日军控制在岛的北端和东北端的狭小地带内。又经过1周的苦战，3月17日，残余的日军800余人被美军牢牢围困。3月25日夜，日军守岛司令栗林率残部企图突围，但大部被美军歼灭。3月26日，美军宣布战役结束，但清剿残余日军的行动一直持续到4月底才结束。
硫磺岛战役历时约35天，美军为此付出了死伤2.1万余人的代价，约占登陆部队人数的1/3；日军守岛部队被击毙2.5万余人，被俘1000余人。