11月18日，负责夺取塔拉瓦岛海域制空权的第50特混编队的第3大队开始对塔拉瓦岛实施预先航空火力准备，在两天的猛烈空袭中击毁了日军2门203毫米火炮和3辆坦克，并使日军的防御工事受到了一定的破坏。
登陆编队于11月19日15时到达塔拉瓦岛东南海域，南部登陆编队司令希尔少将召集随军记者举行记者招待会，希尔声称将要把塔拉瓦岛从地图上一举抹掉，言下之意登陆部队遭遇的抵抗将会很微弱，他对舰炮和舰载机的火力十分信任，表示登陆将会像度假的游客漫步海滩一样轻松。一旁的陆战2师师长史密斯少将心中不快，随即插嘴补充：“请记住，当海军陆战队队员与敌人短兵相接时，唯一的盔甲是身上的卡叽布军装！”日落前，南部登陆编队所有军舰在塔拉瓦岛东南海域集合完毕，一起向登陆地域进发。
11月20日凌晨，陆战2师吃过了新西兰牛排鸡蛋，这是他们传统的出征早餐。随后检查装具，准备出战。
4时，各登陆运输舰开始放下小型登陆工具。5时05分，“马里兰”号战列舰弹射舰载校射飞机，虽然“米德”号驱逐舰同时施放烟雾进行了掩护，但弹射起飞的火光还是被日军发现，他们立即发动海岸炮开始射击，希尔马上下令还击，3艘战列舰、4艘巡洋舰和9艘驱逐舰主炮开始齐射，猛烈的炮火将小小的比托岛几乎全部笼罩住。但日军的海岸炮还在不断射击，而且越来越精准，希尔只得指挥军舰转移阵位，以便进行反炮火射击。5时45分，不知什么原因舰载机并没有按计划准时飞来，由于希尔的旗舰“马里兰”号战列舰通信设备在进行了两次主炮齐射后就失灵了，也就无法询问催促航空火力支援大队。6时15分，从三艘航母上起飞的舰载机终于来到了，可舰载机的对地攻击却只进行了短短7分钟就匆匆结束。因为此时比托岛上已经浓烟滚滚，烈火熊熊，由于美军进行舰炮射击时使用的都是爆破弹，将岛上炸得尘土飞扬，遮天敝日，飞行员根本看不清地面目标，加上舰炮火力相当密集，在这种情况下飞机进行低空精确攻击十分危险。舰炮火力准备继续进行，美军在两个多小时的舰炮准备中，共发射了3000多发炮弹，小小的比托岛几乎每平方米都承受了一吨的炮弹，似乎一切都被火光吞没了。在这样猛烈的炮火下，岛上似乎不可能再有生物存活，但美军大大高估了炮火准备的效果，日军大多数工事特别是火炮掩体都深埋在地下，只有用大口径火炮使用延时引信炮弹才能将其摧毁。美军缺乏对岸上点状目标射击的经验，速度太快，以致炮弹爆炸的烟雾遮掩了目标，看着虽然烈焰浓烟，但实际效果并不理想。如此大规模火力准备的唯一成效就是将日军的通信线路全部炸断，使其指挥部与各部队之间的联系全部中断。
美军在实施舰炮火力准备的同时，“追踪”号和“必需”号两艘扫雷舰清扫并标示出安全进入礁湖的航道，引导“林哥德”号和“达希尔”号驱逐舰驶入礁湖进行近距离射击，接着“阿希兰”号船坞登陆舰也跟着驶入礁湖。
6时19分，希尔见日军海岸炮仍在射击，并对进入的船坞登陆舰构成了极大威胁，便命令登陆舰退到日军海岸炮射程之外待命。
陆战2师前三个登陆波全是由新型的LVT-2两栖车组成，分别是48辆、24辆和21辆，于7：07完成换乘，LVT-2两栖车必须先到达距出发线6400米的集合区，整顿队形后再以6分钟的间隔向5500米外代号“红一”、“红二”和“红三”的三个滩头冲击，其中登陆总指挥是陆战2团团长肖普上校。在“红一”滩头登陆的是陆战2团的第3营，营长是金特尔少校，“红二”滩头登陆的是陆战2团的第2营，营长是艾米中校，“红三”滩头登陆的是陆战8团的第2营，营长是劳克中校。
由于负责标示航道的“追踪”号扫雷舰在作业时与日军海岸炮进行了炮战，所以标定出的航道稍稍偏西，加大了LVT-2两栖车到达集合区的距离。而LVT-2两栖车的驾驶员都是新手，由于训练不充分，对两栖车性能还不能熟练掌握，因此LVT-2两栖车的航行速度比预定计划要慢上许多，加上当时礁湖里正刮着强劲的西风，更是给LVT-2两栖车的行动带来了巨大的困难。直到8时25分，两栖车比计划整整晚了40分钟，才到达出发线，希尔眼看无法按计划于8时30分登陆，便将预定登陆时间从8时30分推迟到8时45分，后又再推迟到9时。因此美军舰炮曾于8时35分开始向纵深延伸射击，后又重新轰击海滩，8时55分才再次纵向延伸射击，而此时，LVT-2两栖车仍在礁湖的风浪中苦苦挣扎着向前行驶。
海军的一架观察联络飞机发现两栖车无法在9时突击抢滩，便转而向旗舰“马里兰”号战列舰报告。可是“马里兰”号没有收到这一重要的报告，因为它的通信设备已经失灵，致使一切仍在按照9时登陆的计划实施，9时舰载机飞临滩头，实施航空火力掩护。但因为地面上烟雾弥漫，飞行员无法看清目标，对地攻击效果极差，日军的很多工事都安然无恙，当美军飞机结束攻击飞走时，舰炮火力已向纵深延伸，滩头上出现了长达23分钟的火力间歇！这段时间已经足以让日军从隐蔽部进入防御工事了。LVT-2两栖车在接近滩头时遭到了日军火力的迎头痛击！大多数两栖车中弹，失去机动能力，只有少数得以上岸，海滩上到处是燃烧的两栖车和死伤的士兵，鲜血已将海水染成了红色。
在红二滩，2营营长艾米中校高喊：“跟我来！我们要占领海滩！”话音未落，就被日军的子弹击中，一头倒在海滩上，再也没有站起来。好不容易冲上岸的陆战队员都被日军密集的火力压制在海滩上大堤下，根本无法前进。第四、第五波是载有登陆兵、坦克和火炮的机械化登陆艇和车辆人员登陆艇，由于吃水比两栖车深，当时又正值退潮，无法越过珊瑚礁，考虑到海滩上急需支援，便将所运载的M-4“谢尔曼”式坦克放下水进行涉渡，结果有的坦克因为发动机进水而失灵。只有7辆好不容易驶上海滩，其中3辆因滩头上到处是伤员而无法行动，有3辆被日军炮火和地雷击毁，还有1辆则陷在弹坑里不能动弹。运载的登陆兵由前三个登陆波的两栖车返回来接运到浅水区，再要迎着日军的枪林弹雨通过700米齐胸深的浅水区，其艰难程度可想而知，由于前三个波次的两栖车所剩不多，所以大部分人还滞留在珊瑚礁上。运载火炮的登陆艇无法卸载，只得后撤，等待涨潮。
在海滩上，陆战2团团长肖普上校拼命寻找能用的电台，以与后方取得联系。他刚在一星期前接替在演习中受伤的原2团团长，其原为陆战2师的作战科长，由于他参与制定了塔拉瓦岛的登陆计划，因此他对该岛的地形、防御等情况都非常熟悉，这对于陆战2团，倒是不幸中的万幸。
10时30分，肖普上校终于找到了一部能用的电台，立即命令团预备队第1营从红一滩上岸。但与希尔和陆战2师师长史密斯取得联系已经是中午以后的事情了，他立即报告了极其严重的形势，表示自己急需援助。此时，登陆的美军只占领了纵深数米的滩头，而伤亡已经超过20%。希尔早已通过观察飞机知道海滩上情况不妙，接到肖普的报告更是大为震惊，一面命令舰炮继续猛烈射击为海滩上的部队提供炮火掩护，一面投入师预备队，同时向第5两栖部队司令特纳报告，请求调总预备队来增援。
满载后续部队和重武器的登陆艇大部分被卡在珊瑚礁上，动弹不得，其余的只好在珊瑚礁外水域等待涨潮；海滩上的部队死伤无数，被日军的火力压得无法前进，所剩无几的两栖车来回奔波，运上补给撤下伤员。此时，塔拉瓦之战几乎已经到了失败的边缘。但就是在这样的关键时刻，陆战2师却充分发扬了海军陆战队所特有的顽强不屈的战斗意志、坚韧不拔的战斗作风，尽管伤亡惨重，尽管建制已被打乱，尽管指挥员死伤大半，下级军官、军士和士兵主动组织起来，拼死冲锋。红三滩头，霍金斯中尉率领34名战士，用炸药包、刺刀、铁锹，一步一步向前推进了300米，将滩头东侧一段长堤占领，取得了能展开炮兵的一块地方，炮兵立即将75毫米榴弹炮拆开，再把一块块部件运上滩头，组装起来，然后为部队提供炮火支援。
霍金斯中尉在战斗中壮烈牺牲，为表彰他的英勇战绩，美军将比托岛的机场命名为霍金斯机场。肖普将团指挥部设在刚夺取的一个日军防空洞里，他深知连接红二滩和红三滩之间栈桥的重要性，接连组织了5次攻击，最终在32架舰载机的大力支援下，才夺取了栈桥。海空军竭尽全力为登陆部队提供支援，4艘驱逐舰始终停在礁湖里，随时根据登陆的召唤进行舰炮支援，航母上的舰载机也不时出动，提供航空火力支援，在日落之前先后进行了32次攻击，其中最大规模的一次就出动飞机80架次！经过殊死激战，直到日落时分，美军有5000人上岸，伤亡也超过了1500人。在海滩的西部占领了正面140米、纵深450米的登陆场，东部则控制了正面600米、纵深270米的滩头，但情况依然很危急。肖普只得命令就地构筑工事，让一半人警戒，一半人休息。
入夜，美军经过一天的血战，已经是精疲力竭，弹药、饮水所剩无几，一旦日军发动大规模反击，后果将难以预料。庆幸的是，日军只有一些小规模的袭击和侵扰，均被美军轻易的击退。原来，美军的猛烈炮火轰击虽没有摧毁日军深埋在地下的工事，却将其通信系统彻底破坏了，加上天黑后，美军不间断的扰乱射击，使日军无法恢复通信，因而柴崎无法组织起大规模反击。
经过一夜的补充，美军于11月21日全力向前推进，扩大登陆场。午后，期盼已久的高潮终于到来了，重武器和坦克在红一滩和红三滩上岸，总预备队的陆战6团的两个营则在比托岛西侧新开辟的登陆点代号为“绿滩”的海滩登陆，随即消灭了日军对美军军舰威胁最大的203毫米海岸炮。巡洋舰、驱逐舰驶入礁湖，在岸上火力控制组的指挥下，他们以越来越准确和猛烈的炮火掩护地面部队推进。陆战6团的另一个营则占领了比托岛以东的拜里仓岛礁，随即在该岛设立了105毫米火炮阵地，以猛烈炮火支援比托岛上的战斗。战斗进行至此，美军终于扭转了登陆初期的不利，开始占据上风。但日军仍然在负隅顽抗，战斗的惨烈难以用语言形容。陆战2师在如此激烈的鏖战中，充分体现了一支精锐之师的风采，很多时候，士兵们都是自己组成战斗小组，用火焰喷射器和炸药包，一个一个解决日军的火力点，其勇敢顽强的精神，真是可歌可泣。至日落前，已有部队推进到比托岛的南岸。日军在美军猛烈火力下死伤惨重，隐蔽部和工事里到处是尸体和伤员，柴崎被迫将指挥部所在坑道改为临时救护所，率指挥部成员向附近坑道转移时被美军炮火击毙。
傍晚时分，陆战2师参谋长埃德森上校上岛，统一指挥岛上所有部队的战斗，肖普则指挥陆战2团的作战。
而反观日军，由于指挥官柴崎少将阵亡，他们失去了统一的指挥，因而当晚没有发动大规模的夜间反击，这使岛上的美军又度过了一个相对平静的夜晚。
11月22日，美军以滩头为基点，陆战8团1营向西，陆战2团3营和陆战6团3营向东，对残余日军实施夹击。陆战8团的2营和3营则向中部的机场发动突击。塔拉瓦岛的胜负已成定局，但日军仍然在继续抵抗。尤其美军在栈桥东侧三角形阵地所遭到的抵抗最为激烈，美军炮火对该阵地足足实施了3个小时的连续轰击，但步兵冲锋时仍遭到了日军火力的疯狂扫射，最后美军以机枪和迫击炮掩护两辆装甲推土机将日军坑道彻底推倒才结束了战斗。日军的拼死顽抗虽然给美军造成了巨大的伤亡，但在美军的顽强攻击和猛烈火力打击下，日军也是弹尽粮绝，很多士兵的体力和精神已经达到极限，不少人因无法忍受这样的痛苦而自杀。
黄昏，陆战2师师长史密斯少将上岛，在滩头开设了师指挥所。
11月23日凌晨，被压缩在岛东部狭长地带的日军残部，连续发动了3次大规模的自杀性冲锋，尽管对战局已毫无作用，却给美军造成了巨大的人员伤亡和心理恐慌。5时许，日军的反击终告平息。中午过后，美军突破了日军的最后阵地，将守军全部歼灭。陆战2师师长史密斯于13时12分宣布，全部占领比托岛。美军官兵从隐蔽处走了出来，大家欢呼胜利，然而比托岛实在太小了，根本无法容纳下陆战2师的全部人员！
此役，日军4000余守备部队，除146人被俘外，其余全部战死，被俘的人员中129人是朝鲜籍的工程兵。美军失踪、阵亡1013人，伤2072人，其中海军陆战队死984人，伤2001人。
11月24日，美军以巨大代价攻占比托岛后，又占领了比托岛东面的埃塔岛。29日又在阿布里基岛登陆，消灭岛上160名日军，占领该岛。至此，美军控制了全部的塔拉瓦岛。