11月24日，塞班岛的美军首次出动B-29轰炸机对日本本土实施轰炸。这次轰炸引起了日军的极大恐惧，并随即做出反应。三天后，硫黄岛上的日军出动了飞机，空袭塞班岛上的美军B-29航空基地，击毁B-29轰炸机1架，击伤11架。随后的日子里，硫黄岛上的日军又多次组织对塞班岛美军航空基地的空袭，严重威胁了美军航空基地的安全。
为压制硫黄岛日军飞机的袭扰，美军组织了海空协同突击。至1945年2月初，共出动舰载机1269架次，岸基航空兵飞机1479架次，军舰64艘次，总共投掷炸弹6800余吨，发射大口径舰炮炮弹2万余发。虽然美军的炮火很猛烈，但在日军精心构建的防御工事面前，效果十分有限。别说日军的坑道工事，就连岛上的两个机场，美军也没能彻底摧毁。
1945年1月26日，完成了吕宋岛登陆作战支援任务的美军第三舰队返回基地休整。第三舰队司令哈尔西上将将指挥权移交给斯普鲁恩斯，第三舰队随即改称第五舰队。这是美军自1944年秋开始实行的新措施，即为太平洋舰队配备了两套司令部指挥参谋人员。哈尔西指挥时，番号为第三舰队;斯普鲁恩斯指挥时，则称为第五舰队。一人率军在前线指挥作战，另一人则在后方筹划酝酿下一次作战。这样既能充分使用兵力，又能迷惑日军。
最初，斯普鲁恩斯和尼米兹都认为攻占硫黄岛这样一个弹丸小岛，不会费多大力气。看了侦察机拍摄的航空照片后，他们才发现在硫黄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，认为硫黄岛将是最难攻占的岛屿，并预计要付出两万人伤亡的代价。
1月28日，当负责组织对日军本土战略轰炸的陆军航空兵第二十一航空队司令李梅少将，前来协商航空兵如何支援硫黄岛登陆作战时，斯普鲁恩斯问他硫黄岛对于战争究竟有多大价值。李梅立即表示，没有硫黄岛就无法有效地对日本本土进行战略轰炸。本来有些犹豫的斯普鲁恩斯，这才如释重负，决心不惜付出巨大代价攻取硫黄岛。
航母袭击日本本土
2月2日，尼米兹来到乌利西基地视察硫黄岛作战的准备情况。斯普鲁恩斯提议，为了阻止日军对硫黄岛可能的增援，必须首先使用舰载航空兵对日本关东地区的机场进行攻击，尼米兹同意了这一计划。
2月10日，斯普鲁恩斯率领由12艘航母、8艘战列舰、15艘巡洋舰、77艘驱逐舰组成的庞大舰队，经马里亚纳群岛和小笠原群岛以东，直扑日本本土。
这是美军航母编队第一次袭击日本本土。斯普鲁恩斯计划16日抵达日本外海，在16日、17日两天对日本关东地区的机场进行压制性空袭，然后再南下参加硫黄岛作战。为了对付日军的“神风特攻队”，每艘航母上只有30架轰炸机和鱼雷机，其余全部搭载战斗机。
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。但由于天空中云雾低垂，攻击效果并不理想。
2月17日，美军又出动舰载机500余架次，分为两个攻击波，对关东地区的机场、飞机制造厂、船坞等目标进行轰炸。两天里，美军击落日本空中战机332架，地面战机177架，给一些机场、飞机制造厂造成了一定破坏。这次空袭的战果虽然不是很大，但极大地吸引了日军的注意力，达到了虚晃一枪、声东击西的效果。当天下午，美军编队离开日本外海南下，参加硫黄岛作战。
在此之前，2月14日，美军威廉·布兰迪海军少将率领由6艘战列舰、12艘护航航空母舰、5艘巡洋舰、16艘驱逐舰组成的火力支援编队，也离开塞班岛前往硫黄岛。
2月16日清晨，布兰迪的火力支援编队到达硫黄岛海域，开始实施火力攻击。所有战列舰、巡洋舰都被划分了地段，对已查明的目标逐一进行摧毁。为确保炮击的准确，有几艘战列舰甚至在距岸边仅有3000米的地方，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，炮击效果甚微。
岛上的日军只以部分中小口径火炮进行反击，击伤美军战列舰、巡洋舰各一艘。日军的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航道，并清除水下的水雷和障碍物。栗林忠道预感美军登陆在即，下令大口径火炮开火，将美军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。这次炮击令美军大为震惊，没想到岛上的日军竟然还有如此猛烈的火力，于是立即对这些刚刚暴露的目标进行轰击。
从16日到18日，美军除了舰炮火力外，护航航母的舰载机也全力出击。塞班岛的轰炸机也频频前来助战，对硫黄岛进行轰炸。这三天中，硫黄岛几乎完全被硝烟淹没，日军只得退守在坑道里隐蔽。美军在登陆前共消耗炮弹、炸弹24000余吨，硫黄岛上平均每平方公里承受了1200吨，但日军损失不大。
史无前例的火力支援
2月19日6时，特纳率领的登陆编队到达硫黄岛海域。美军登陆部队为海军陆战队三个师，以陆战第四、第五师为一梯队，陆战第三师为预备队，第一批登陆部队共八个营。
9时整，美军开始登陆，一开始进展非常顺利，日军的抵抗十分微弱。但好景不长，登陆的美军才推进了200余米，日军就从坑道进入阵地。日军的炮火准确地覆盖了登陆滩头，一时间，美军被完全压制在滩头，伤亡惨重。
在这危急时刻，美军的舰炮火力给了登陆部队极其有力的支援。可以说，在太平洋战争的历次登陆战中，舰炮火力支援从没有像硫黄岛登陆战那样有效。全天美军共消耗127毫米以上口径的舰炮炮弹近4万发，火力支援之强，史无前例。在舰炮火力的大力支援下，美军登陆部队艰难地向前推进。
9时30分，美军的坦克开始上岸，随即引导登陆部队前进。但坦克大都陷入了火山灰里，动弹不得，少数几辆也行动蹒跚，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，美军已有八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，给美军登陆带来了很多麻烦。这时，后续登陆部队正在登陆，许多登陆艇被强劲的阵风吹得失去控制，甚至倾覆，再加上日军的炮火轰击，滩头上到处都是损坏的登陆艇。而后续物资和人员仍在按计划不断上岸，整个海滩一片混乱。
14时，美军陆战第四师第二十三团攻到了一号机场，但第二十五团在登陆当天几乎没有进展。陆战第五师情况稍好，第二十八团已割裂了折钵山与其他地区日军的联系，将其包围起来。第二十七团在海滩上被困40分钟之后，终于取得了突破，推进到了一号机场南端。
当天日落时，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。
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