時間到了1945年2月19日，由尼米茲任命在中途島海戰和馬里亞納海戰中威名大振的海軍上將雷蒙德·斯普魯恩斯為總指揮官。在他的指揮下，由特納海軍中將指揮聯合遠征軍，下轄登陸突擊編隊和兩棲支援編隊交由霍蘭·史密斯 史密斯海軍中將指揮兩棲第五軍所屬陸戰第三師、四師、五師共75000人擔負主攻登陸任務。
美軍在沒有登陸以前的兩個月中，從空軍基地起飛的飛機已經把它轟炸了75次，由軍艦起飛的飛機也前來轟炸了7次，先後共出動飛機近3400架次，總投彈量達6800噸。硫磺島周邊集結的美軍軍艦共射擊8次，發射400毫米炮彈2000多發，200毫米炮彈6500發，127毫米炮彈15000餘發。硫磺島地面上再也看不見人影和樹木，只有被掀翻的連綿沙丘。
被轟炸的硫磺島
美軍主攻硫磺島的水上支援部隊，共有護航航空母艦12艘，戰列艦6艘，巡洋艦5艘，驅逐艦16艘。登陸部隊共有海軍3個師，共75000人 。單登陸部隊人數就比日軍多3倍。
1945年2月19日，美軍在翁浜海岸正式進攻。首先由驅逐艦掃雷艇護衛著登陸艇十餘艘向海岸挺進，到達距海岸700米的地方，美艦開始炮擊。
在岸邊陣地的日軍東部海軍炮臺立即開炮還擊，9時30分，6發炮彈擊中美巡洋艦“本薩拉號”，致使美軍死7人、傷98人。11時左右，登陸支援炮艇12艘也被擊傷，戰死和下落不明的共44人，負傷152人，其中9只炮艇已不能使用。緊接著摺缽山上的海軍炮臺也隆隆開炮。11時21分，美驅逐艦“羅茲號”被擊中，戰死和去向不明者7人，艦長以下34人負傷。日軍北部地區的炮臺也發射炮彈，有6發擊中美巡洋艦一艘，巡洋艦頓時火光沖天。
從表面看，美軍出師首戰不利，實際上，在戰術方面，日本恰好是中計了，暴露了海軍炮臺的全部位置，給美軍後來的進攻創造了極為便利的條件。
對於這一點，日本兵團司令慄林中將早有預見。他根據過去塞班島和關島的戰鬥經驗，決定對美軍在岸邊登陸不予抵抗，待美大部隊深入到一定地點以後，再集中火力炮擊，以求一舉殲滅。
他早已命令部下不許開炮，但部下急躁冒進，沉不住氣，待到後來覺察到犯了錯誤時，後悔已晚。
美軍登陸艇衝向硫磺島
日軍發炮還擊，等於給美軍指明瞭打擊的目標，正中美軍下懷，於是美軍隨即集中艦炮火力和飛機轟炸，把日軍僅有的微薄炮兵防守力量全部擊毀。這些陣地上原有陸軍1300人、海軍640人，在美軍海空猛烈的轟炸中，有70%被消滅。
美軍從登陸艇裡衝向灘頭
美軍轟炸和炮擊過後，第一波68輛履帶登陸車離開出發點衝向灘頭，艦炮火力也開始延伸射擊，由第4，5海軍陸戰師組成的第一波3萬人開始登陸，一開始非常順利，日軍按照預先的部署使美軍遭遇抵抗十分微弱，只有迫擊炮和輕武器的零星射擊，美軍遇到的最大阻礙是岸灘上的火山灰，由於岸灘全是火山灰堆積而成，土質鬆軟異常，履帶登陸車全部陷在火山灰中，難以前進，後面的登陸艇一波接一波駛上岸，卻被這些無法動彈的履帶登陸車阻擋，根本無法搶灘登陸，艇上的登陸兵只好涉水上岸。見日軍只有零星的輕武器射擊，特納甚至認為照此發展，只需五天就可佔領全島。
被圍攻的硫磺島
日軍等美軍炮火開始延伸，慄林就下令日軍官兵們從坑道進入陣地埋伏好，等美軍的坦克上岸，隨即引導並掩護登陸部隊攻擊前進，日軍突然發動反擊，登陸的美軍才推進了二百餘米，根據事先早已測算好的數據，日軍炮火準確覆蓋了登陸灘頭，一時間，美軍被完全壓制在灘頭，傷亡慘重，前進受阻。陸戰4師的第24，25團死傷25%，第一波上陸的56輛坦克半數損失，本該發揮巨大作用的坦克，大都陷入火山灰，動彈不得，少數幾輛也行動蹣跚，很快就成為了日軍反坦克炮的目標，被一一擊毀。美軍只能依靠士兵用炸藥包和火焰噴射器，一步一步向前推進，而每一步都要付出慘重的代價。
被困在灘頭的美軍
被炸得濃煙滾滾的硫磺島
陸戰5師因為比陸戰4師晚了大約20分鐘遭到炮擊，而且炮火相對比陸戰4師遭受的要弱，所以先頭的28團1營得以利用這一機會，穿越島的最狹窄部，切斷了折缽山與其他地區日軍的聯繫，2營則隨後向折缽山發起了攻擊。陸戰4師在日軍猛烈炮火阻擊下，幾乎寸步難行。就在這樣的危急時刻，美軍的艦炮火力給了登陸部隊以極其有力的支援，此次登陸，美軍登陸部隊每個營都配有艦炮火力控制組，能夠及時召喚艦炮火力的支援，而空中的校射飛機也發揮了巨大作用，準確測定日軍炮火位置引導艦炮將其消滅，可以說，在太平洋戰爭歷次登陸戰中，艦炮火力支援從沒有像硫磺島登陸戰那樣有效，在艦炮火力的大力支援下，美軍登陸部隊艱難向前推進，全天美軍共消耗127毫米以上口徑艦炮炮彈38550發，火力支援之強，史無前例。
正在作戰的美軍
第一線守衛陣地的日軍在激烈的炮擊下無法鑽出掩體射擊，只有等待美軍從海岸來到陣地前沿時，迅速跳出來展開白刃戰。這種刺刀見紅的近戰戰術很厲害，美軍一開始很不適應，損失很大，有些部隊甚至攻上去後無一生還。 日軍用47釐米口徑速射炮對付正面進攻的美軍裝甲車，20輛被擊中，3艘搭載裝甲車的艦隻被毀。戰鬥雙方都打紅了眼。 摺缽山的日本守軍，從山麓到縱深七八百米地帶，修築起了兩道陣地，迎擊步步進逼的美軍。美軍裝甲車群一邊緩慢進逼日軍陣地，一邊使用火焰噴射器噴出紅色水柱狀烈焰，轉瞬間，日軍第一道防線就被無情的烈焰所熔化，守軍大部戰死，殘存的數十名官兵向第二線後退不得，只好潛入地下洞窟中去。戰鬥到日落時，美軍已有6個步兵團、6個炮兵營和2個坦克營共約3萬人上岸，佔領了寬約3600米，縱深從650米到1000米不等的登陸場，全天有566人陣亡，1858人負傷，傷亡總數約佔登陸總人數的8%。就第一天的戰況而言，還不算太糟糕，但隨後的戰鬥將更加艱鉅
在和日軍戰鬥的美軍
1945年2月20日，從凌晨開始，美軍艦炮就根據登陸部隊的要求進行火力準備，上午8:30分，美軍登陸部隊發起了進攻，美軍又在猛烈炮火支援下攻向日軍第二道防線，仍然是重型坦克開道，用厚甲板抵擋日軍47釐米速射炮彈、步兵炮和野戰炮的轟擊，用熾熱的火焰摧毀掩體和阻擊堡壘，勢不可擋。
28團進攻折缽山。其他三個團向元山方向進擊。陸戰4師在艦炮和坦克支援下，攻佔了一號機場，並切斷了島南日軍與元山之間的聯繫。機場剛剛被攻佔，工兵就開始全力搶修，以便儘快能投入使用。陸戰5師向折缽山攻擊，折缽山獨立守備隊由日軍第312大隊和速射炮第10大隊組成，日軍防守頑強寸土必爭。由於日軍很多工事都建在艦炮火力無法射擊到的巖洞中，在坦克到來前， 為了阻止美軍進攻，日軍組織“敢死隊”抱著炸彈企圖阻擋裝甲車進攻，然而，這些“敢死隊員”還未到坦克近側，就被火焰燒成焦黑的屍體。
日軍第二道防線不久也被撕開了口子，像決了堤的水壩很快崩潰。當天傍晚，1700名日軍死去多半，陣地大部分失守，炮臺全部被毀，只能躲在地壕中伺機夜襲 28團幾乎無法前進，最後在坦克掩護下，以手榴彈、炸藥包、火焰噴射器逐一消滅巖洞中的日軍，有時甚至出動推土機將洞口封閉，因此進展極為緩慢，直到黃昏，才總共前進了180米。折缽山獨立守備隊隊長厚地兼彥大佐戰死。
懷抱炸藥包的日軍敢死隊
21日，日軍採取散兵戰與美軍周旋。由於日軍在暗處，美軍不識地道交通網絡，不少官兵死於冷槍之下。22日，美軍動用坦克封鎖地下戰壕進出口，火焰噴射器噴出長長的熾熱火舌，舔吮著日軍士兵的頭部和身軀。火焰噴入日軍地下戰壕後，洞中岩石如同火炭般散發高溫，洞內像冒火一樣炎熱難耐，而垂死的日軍仍然拼命頑抗。
那張著名的硫磺島升旗照片
23日，美軍在硫磺島最高峰摺缽山山頂升起星條旗。剩下的300餘名日軍在慄林司令官指揮下仍在洞內伺機反撲，戰鬥還在繼續中。
硫磺島進攻方向圖
摺缽山失守，日軍大勢已去。 陸戰三師師長厄金斯少將找到兩名日軍戰俘，給了他們很多幹糧，還配備了一部最新式的報話機，然後讓他們給慄林和池田帶去勸降信。這兩名戰俘將勸降信設法交給了池田的傳令兵，但到了規定的時間期限，日軍仍未投降，這兩戰俘為美軍的人道主義待遇所感動，竟留在日軍防線裡，通過報話機為美軍炮火指引目標，一直到18日才返回美軍戰線，慄林忠道如果認清大勢，體恤部下性命，本該下令殘部投降。可是，頑固不化的軍國主義頭目非要強令官兵與他一起為天皇白白送命，這使美軍也相應增加了傷亡數目。
美軍登陸後的第十天，2月28日，已佔領了硫磺島南半部及千鳥機場和元山機場，整個島上表面陣地已看不到日軍影子。
3月1日，美軍採用摺缽山攻堅戰術，把玉名山守軍趕進深洞，然後用鑽巖機鑽孔爆破，投入黃磷或煙霧彈毒殺殘部。日軍守備隊中有10%想投降的人被處死，6%的人絕望自殺，被俘活命的只有5%，其餘的全部戰死。
3月7日，完全陷入包圍圈的日軍混成第二旅1500餘人，攜帶手槍、輕機槍、步槍，從深洞中衝出來，口喊“萬歲”、“萬歲”，對佔絕對優勢的美軍進行自殺式衝擊，結果全部斃命。
3月9日夜，千田旅團殘餘日軍1600餘人也在一片“萬歲”的嚎叫聲中衝向地面，無一倖存。最後一次有組織的反攻是在3月27日。這天清晨，40名日軍拿刀隊員在前面打頭陣，300餘名海軍、陸軍聯合部隊尾隨其後，奇襲美軍帳篷營地，雙方展開肉搏戰。
美軍是在睡夢中驚醒倉促迎戰的，日軍則是在精神、肉體遭受重創後，萬死中求一生。戰鬥結束後清點：美軍戰死44人、88人負傷，工兵第五大隊9人戰死、31人受傷；日軍262人死亡。絕望中，日軍慄林忠道在戰壕洞口剖腹自殺未遂，由中根參謀用軍刀把他砍死，然後，中根自己也開槍自殺。
硫磺島攻防戰歷時38天，美軍於1945年3月27日當天上午9:00時宣佈硫磺島戰役結束，但殘餘日軍的戰鬥一直持續到4月底，硫磺島戰役日軍死亡22000人，被俘1000餘名；美軍陣亡5500人、負傷19000人。在一個不到30平方公里的小島上，死傷這麼多人，可見戰爭的殘酷激烈。
被擊傷迫降於硫磺島的B29遠程轟炸機
硫磺島上陣亡美軍將士墓地
美軍火焰噴射器
日軍萬歲衝鋒
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