美军：参加作战的地面部队为第5两栖军，下辖海军陆战队第3、4、5师，共约6万人，由霍兰·史密斯中将指挥；登陆编队和支援编队，由凯利·特纳中将指挥；米切尔中将指挥的第58特混编队负责海空掩护；所有参战登陆舰艇约500艘，军舰约400艘，飞机约2000架，由第5舰队司令斯普鲁恩斯上将统一指挥。
日军：日军在岛上陆军约1.5万余，海军约7000余，共约2.3万人，飞机30余架，由粟林统一指挥。
■ 攻占计划
硫磺岛是太平洋上一座由火山熔岩冷却后形成的火山岛，地形起伏，沟壑纵横，熔洞密布，悬崖峭壁临海高耸。从高空俯瞰，20余平方公里，大小的硫磺岛像一只砍去双腿，又被拔光毛的火鸡，火鸡头位于岛的西南端，高度168米的摺钵山雄踞鸡头，是全岛制高点，一个鸡嘴状的岬角一直伸进滚滚波涛中。北部从鸡背一直到东北部鸡尾部分，是一片错落起伏的高地，由一系列小山岗和陡峭的峡谷构成。小山岗高程大多百米左右，地形复杂，可伏重兵。南部鸡脖子和鸡胸部位，地势低平，有一小片被梯状台地逼住的海滩，勉强可作登陆场。除此以外，全岛没有任何可供船舶停靠的锚地或港湾。
硫磺岛虽是一个小岛，却处在战略要津。硫磺岛北距东京650海里，南距马里亚纳群岛的塞班岛630海里，几乎正处在两地的中间。可谓是战略位置极其重要。为什么这么说呢？因为自从美军1944年7月攻占马里亚纳群岛后，就开始建立航空基地，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进行如此长距离的空袭，由于受航程的限制，只能携带3吨炸弹，仅为B—29最大载弹量的30%。而且因为航程太长，战斗机无法进行全程护航，因此B—29只能在8000~9000米高度实施面积轰炸，效果很不好。因此，为总攻日本，美军势必要夺占硫磺岛。而为东京安全，日军也势必要死守硫磺岛。结果，这座杳无人迹的小小火山岛，在太平洋战争后期，就成为日美必争之地。
美陆军航空兵（即美国空军的前身）司令阿诺德上将于1944年4月17日向美参谋长联席会议提出攻占硫磺岛的请求，美参谋长联席会议随即同意这一请求，责成太平洋战区担负此项作战，太平洋战区总司令兼太平洋舰队总司令尼米兹上将为就近指挥，将其指挥部从珍珠港移至关岛。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，参加作战的地面部队为第5两栖军，下辖海军陆战队第3、4、5师，共约6万人，由霍兰·史密斯中将指挥；登陆编队和支援编队，由凯利·特纳中将指挥；米切尔中将指挥的第58特混编队负责海空掩护；所有参战登陆舰艇约500艘，军舰约400艘，飞机约2000架，由第5舰队司令斯普鲁恩斯上将统一指挥。
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。
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柯蒂斯·李梅少将前来协商航空兵如何支援硫磺岛登陆作战时，斯普鲁恩斯就向他提出硫磺岛对于战争究竟有多少价值？李梅立即肯定地表示没有硫磺岛就无法有效地对日军本土进行战略轰炸。斯普鲁恩斯这才决定不惜付出巨大代价攻取硫磺岛。
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，又因为吕宋岛战役进展缓慢，结束的日期从计划的1944年12月20日推迟到了1945年1月9日，尼米兹再将硫磺岛的作战推迟到1945年2月中旬。
1944年马里亚纳群岛失守后，日军越来越意识到硫磺岛的重要。为此，日军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，海军约7000余，共约2.3万人，飞机30余架，由栗林统一指挥。日军在岛上的中部高地和元山地区各建有一个机场，分别叫做千岛机场和元山机场，也叫1号机场和2号机场，并在2号机场以北建造第3个机场。
日军的海空军主力在菲律宾战役中遭到了毁灭性的打击，因此，硫磺岛的抗登陆作战是要在几乎没有海空支援的情况下进行。为此，栗林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，最后栗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。
栗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。火炮和通讯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，栗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。栗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。
■ 空海陆同击
美军早对硫磺岛进行了轰炸。1944年8月10日，驻扎在塞班岛的美军航空兵就开始对小笠原群岛进行空袭，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。11月24日，塞班岛的美军首次出动B—29超级空中堡垒轰炸机对日本本土实施轰炸。三天后，硫磺岛上的日军出动了2架飞机空袭塞班岛美军B—29航空基地，击毁B—29一架，击伤11架。随后的日子里，硫磺岛上的日军又多次组织对塞班岛美军航空基地的空袭，至1945年1月2日，已累计击毁B—29六架，严重威胁着美军B—29航空基地的安全。为压制硫磺岛日军飞机的袭扰，美军于1944年12月8日组织了一次海空协同突击，出动飞机192架次，其中B—29重轰炸机62架次，B—24中型轰炸机102架次、重巡洋舰3艘、驱逐舰7艘，共投掷炸弹814吨，发射203毫米炮弹1500发、127毫米炮弹5334发，这样猛烈的轰击，却并未彻底摧毁硫磺岛机场，仅仅起了短暂的压制作用。自这次海空协同突击后，美军在12月间又组织了四次类似的海空联合突击。12月9日起，由黑尔少将指挥的第七航空队B—24轰炸机在天气允许的情况下，几乎每天都对硫磺岛进行轰炸，塞班岛的B—29也不时加入对硫磺岛的轰炸，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，发射大口径舰炮炮弹2万余发，其中406毫米炮弹203发，203毫米炮弹6472发，127毫米炮弹15251发。美军如此猛烈密集的火力轰击，由于日军的防御工事异常坚固，效果十分有限，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。
1945年1月26日，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，为太平洋舰队配备了两套司令部指挥参谋人员，在哈尔西指挥下，番号为第三舰队；当由斯普鲁恩斯指挥时则称之为第五舰队，一般一人在前线指挥作战，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。
2月2日，尼米兹来到乌利西，视察硫磺岛作战的准备情况。斯普鲁恩斯提议为阻止日军对硫磺岛可能的增援，必须首先使用舰载航空兵对日本土的关东地区机场进行压制，尼米兹同意了这一计划。随后，尼米兹又前往塞班岛观看了将在硫磺岛实施登陆作战的第五两栖军的三个海军陆战队师进行的临战演习。
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12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，对日本本土进行轰炸。斯普鲁恩斯计划16日抵达日本外海，以16日、17日两天时间对日本本土关东地区的机场进行压制性的空袭，然后再南下参加硫磺岛作战。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，由于天空中阴云低垂，攻击效果并不理想。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。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。
美军除了对日军进行空袭之外，还进行了海陆炮击。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15日，美海军部长福雷斯特尔在尼米兹陪同下到达塞班岛，听取有关硫磺岛战役的汇报，并视察战役准备。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。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，并清除水下的水雷和障碍物，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，岛上的日军竟然还有如此猛烈的火力，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，有的进行空中掩护；有的进行反潜警戒；有的观测校正弹着；有的向日军阵地投掷燃烧弹，烧掉日军阵地的伪装，使之暴露出来，以便于舰炮将其消灭。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，日军只得退守在坑道里无法活动。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，但日军的防御工事很坚固，损失轻微。
■ 登陆战打响
1945年2月19日9点，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按原计划也到达硫磺岛西北海域。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，虽时间短，但因为天气晴朗，目标清晰可见，效果比较理想。
登陆部队海军陆战队三个师，以陆战第四、第五师为一梯队，陆战三师为预备队，在直接火力准备的同时，第一批登陆部队8个营完成了换乘。登陆滩头在硫磺岛的东海滩，从折钵山山脚下沿海岸向东北延伸，总长3150米，从南到北依次每450米划分为一个登陆滩头，代号分别是绿一、红一、红二、黄一、黄二、蓝一、蓝二。陆战五师在南端的三个滩头登陆，穿越岛的最狭窄部，孤立或攻占岛南的折钵山，陆战四师则在北面的四个滩头登美军第一波68辆履带登陆车向滩头冲击陆，攻击一号机场。
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，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。一开始由于日军的抵抗十分微弱，登陆非常顺利。美军遇到的最大阻碍是岸滩上的火山灰，由于岸滩全是火山灰堆积而成，土质松软异常，履带登陆车全部陷在火山灰中，难以前进，后面的登陆艇一波接一波驶上岸，却被这些无法动弹的履带登陆车阻挡，根本无法抢滩登陆，艇上的登陆兵只好涉水上岸。见日军只有零星的轻武器射击，特纳甚至认为照此发展，只需五天就可占领全岛。但好景不常，登陆的美军才推进了200余米，日军等美军炮火开始延伸，栗林就下令从坑道进入阵地，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团一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，二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。就在这样的危急时刻，美军的舰炮火力给了登陆部队以极其有力的支援.在舰炮火力的大力支援下，美军登陆部队艰难向前推进，全天美军共消耗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。