1944年10月初，太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，由第五舰队司令斯普鲁恩斯上将统一指挥。
在1944年前，日军仅仅把硫磺岛作为太平洋中部与南部的航空中继基地，只部署了海军守备部队1500余人和飞机20架。1944年马里亚纳群岛失守后，硫磺岛的重要性日趋明显，日军才开始大力加强其防御力量，3月下旬将4000余陆军部队送上岛；5月将硫磺岛的陆军部队整编为第109师团，由粟林中道中将任师团长，并在岛上配备了120、155毫米岸炮、100毫米高射炮和双联装25毫米高射炮；7月海军第27航空战队也调至岛上。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，由粟林统一指挥。粟林是出色的职业军人，曾担任过天皇警卫部队的指挥官，他意识到面对美军绝对海空优势，滩头作战难以奏效，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，最后粟林做出了折衷的方案，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。
粟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。粟林的这些苦心经营，确实给美军造成了巨大的困难，使硫磺岛之战成为太平洋上最残酷、艰巨的登陆战役。
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。
1945年2月16日清晨，美国海军少将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
3月1日，美军经过激烈的鏖战，终于攻占了二号机场和元山村。
3月10日，陆战三师将日军防线截为两段后，随即开始向两面扩张战果，九团向东，二十一团向西，分别策应陆战四师、五师的攻击。尽管日军的防御态势已经相当不利，但日军仍依托工事死战不退，尤其是陆战五师面对的是由粟林直接指挥的部队，遭到的抵抗更为激烈，陆战五师的伤亡超过75%，许多战斗部队失去了战斗力，师部的文书、司机甚至炊事员等勤杂人员都投入了战斗。三师、四师的伤亡也很严重，出于这种情况，陆战四师师长克利夫顿?凯兹少将向粟林和硫磺岛日军中战斗力最强的第一四五联队队长池田大佐发出劝降信，信中首先向他们无畏精神和英勇作战表示了尊敬，接着说明了目前无法取胜的处境，最后要求他们指挥所属部队停止抵抗，美军将保证投降日军根据《日内瓦公约》受到人道待遇。但劝降信如同石沉大海，没有回音。
3月16日，东北部的800余日军被歼灭，美军于当日十八时宣布占领硫磺岛，但战斗仍在继续，粟林指挥残部依然在抵抗，有时战斗还相当激烈。陆战三师师长厄金斯少将找到两名日军战俘，给了他们很多干粮，还配备了一部最新式的报话机，然后让他们给粟林和池田带去劝降信。这两名战俘将劝降信设法交给了池田大佐的传令兵，但到了规定的时间期限，日军仍未投降，这两战俘为美军的人道主义待遇所感动，竟留在日军防线里，通过报话机为美军炮火指引目标，一直到18日才返回美军战线。
3月21日，日本天皇晋升粟林为大将军衔，以表彰他的英勇作战。
从16日美军宣布占领硫磺岛后又经过整整一周的激战，24日美军才将残余的日军压缩在岛北部约2100平方米的狭小范围里。粟林于当晚焚毁了军旗，发出了最后的诀别电报，然后销毁密码，准备实施最后的决死反击。
3月25日，粟林派人设法通知岛上每一个人，于夜间携带武器在三号机场附近的山区集合。
3月26日凌晨，粟林亲自率领约350名日军向二号机场的美军发起了最后反击，许多美军在睡梦中被杀，天亮后，美军组织扫荡，四处追杀这股残余日军，激战三小时，将这股日军大部歼灭，日军仅遗留在美军阵地前的尸体就有250具，粟林负伤后切腹自杀，美军伤亡172人。美军于当天八时宣布硫磺岛战役结束，但清剿残余日军的战斗一直持续到四月底。
日军在硫磺岛那样被几乎完全孤立的岛屿上进行的抗登陆战，以两万之众，依托工事抗击了十万美军整整一个月之久，若非后来日军储备的弹药、物资消耗殆尽，恐怕美军的胜利还没有这么迅速，粟林也因为以其谋略、坚韧，领导并组织了硫磺岛的抗登陆战，甚至赢得了美军对他的尊敬。美军此役的指挥官斯普鲁恩斯、米切尔、特纳和史密斯都是在太平洋战争中骁勇善战的名将，参战部队是三个师的海军陆战队，要知道海军陆战队不仅接受过严格系统的登陆战训练，而且战斗力之强、战斗作风之强悍，战斗意志之顽强在美军中都是首屈一指的，美军的武器、火力上的优势更是不言而喻。日军面对这样的精兵强将，如此密集猛烈的火力，孤军奋战，虽败犹荣，硫磺岛战役也因此成为登陆与抗登陆的经典战例，备受瞩目与研究。
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