对这荒无人烟的小岛，美军在没有登陆以前的2个月中，从空军基地起飞的飞机已经把它轰炸了75次，由军舰起飞的飞机也前来轰炸了7次，先后共出动飞机近3400架次，总投弹量达6800吨；硫磺岛周边集结的美军军舰共射击8次，发射400毫米炮弹2000多发，200毫米炮弹6500发，127毫米炮弹1.5万余发。硫磺岛地面上再也看不见人影和树木，只有被掀翻的连绵沙丘。
美军主攻硫磺岛的水上支援部队，共有护航航空母舰12艘，战列舰6艘，巡洋舰5艘，驱逐舰16艘。登陆部队共有海军3个师，共6.1万人。单登陆部队人数就比日军多3倍。
2月17日，美军在翁浜海岸正式进攻。首先由驱逐舰扫雷艇护卫着登陆艇十余艘向海岸挺进，到达距海岸700米的地方，美舰开始炮击。在岸边阵地的日军东部海军炮台立即开炮还击，9时30分，6发炮弹击中美巡洋舰“本萨拉”号，致使美军死7人、伤98人。11时左右，登陆支援炮艇12艘也被击伤，战死和下落不明的共44人，负伤152人，其中9只炮艇已不能使用。紧接着摺钵山上的海军炮台也隆隆开炮，11时21分，美驱逐舰“罗兹”号被击中，战死和去向不明者7人，舰长以下34人负伤。日军北部地区的炮台也发射炮弹，有6发击中美巡洋舰1艘，巡洋舰顿时火光冲天。
从表面看，美军出师首战不利，实际上，在战术方面，日本恰好是中计上当了，暴露了海军炮台的全部位置，给美军后来的进攻创造了极为便利的条件。
对于这一点，日本兵团司令栗林中将早有预见。他根据过去塞班岛和关岛的战斗经验，决定对美军在岸边登陆不予抵抗，待美大部队深入到一定地点以后，再集中火力炮击，以求一举歼灭。他早已命令部下不许开炮，但部下急躁冒进，沉不住气，待到后来觉察到犯了错误时，后悔已晚。
美军也吸取了过去岛屿进攻的经验教训，在大批登陆以前，先搞扫雷及侦察活动，投石问路，探明虚实，故意让日军暴露炮兵阵地位置。日军发炮还击，等于给美军指明了打击的目标，正中美军下怀，于是美军随即集中舰炮火力和飞机轰炸，把日军仅有的微薄炮兵防守力量全部彻底击毁。这些阵地上原有陆军1300人、海军640人，在美军海空猛烈的轰炸中，有70%被消灭。
此后，日军在地面上已无作战能力，只有退缩到地下阵地中去。
2月19日6时许，美军海上舰只全部出动，海军陆战队共3个师6.1万人，加上后续部队，全力攻占面积只有30多平方公里的小岛，这在战争史上是罕见的。
美军战列舰7艘，重型巡洋舰4艘，轻型巡洋舰1艘，驱逐舰10艘和小型炮舰5艘，在距南海岸一二公里处开始轰击，航空部队与其相呼应，120架战斗机对南海岸一带反复发射火箭和用机关枪扫射，投掷炸弹和凝固汽油弹，持续2个半小时后，岛上地面每一寸土地都被翻了一遍。
日军全部躲在地下工事里面，由于工事修筑得坚固，无数炸弹没有一颗能钻进地下来，但日军的心理承受却到了极限。
日军官兵在阵阵撕心裂肺的炸裂声中喘息，巨大的声响震人魂魄，剧烈的震动使身体无法平衡，就像是坐在不良轨道上疾走的运土车一样，忽高忽低六神无主。每个人都在想这次是不是要被活埋了，不少人下意识地捂住头上的钢盔，在惊恐中等待末日的来临。
海岸边的监视哨报告：“敌军炮击猛烈，看不清海岸线。土砂尘扬起10米左右，能见距离不到20米。”
正当全岛笼罩在弹片、砂石之中时，美军250艘登陆艇和500辆两栖装甲车于8时30分开始行动。登陆艇以百艘为单位排成横队，相互之间保持二三百米距离，一齐朝南海岸驶去。在猛烈的海空军火力支援下，10时30分，海军陆战队8个大队和1个战车大队登岸，开始攻占日军阵地。
守卫阵地的日军在激烈的炮击下无法钻出掩体射击，只有等待美军从海岸来到阵地前沿时，迅速跳出来展开白刃战。这种刺刀见红的近战战术很厉害，美军一开始很不适应，损失很大，有些部队甚至攻上去后无一生还。日军用47厘米口径速射炮对付正面进攻的美军装甲车，20辆被击中，3艘搭载装甲车的舰只被毁。战斗双方都打红了眼。
摺钵山的日本守军，从山麓到纵深七八百米地带，修筑起了两道阵地，迎击步步进逼的美军。
美军装甲车群一边缓慢进逼日军阵地，一边使用火焰喷射器喷出红色水柱状烈焰，转瞬间，日军第一道防线就被无情的烈焰所熔化，守军大部战死，残存的数十名官兵向第二线后退不得，只好潜入地下洞窟中去。日军坦克根本无法与美军装甲车相抗衡，47厘米口径炮弹命中美军装甲车也穿不透甲板，它们只有被动挨打，成为一堆堆废铁瘫在阵地上。这一天之内，摺钵山地区的日军守备部队已经丧失了有组织的抵抗。
美军登陆硫磺岛之后，他们觅路攀登摺钵山，升起美国国旗。20日上午，从清晨开始，美军又在猛烈炮火支援下攻向日军第二道防线，仍然是重型坦克开道，用厚甲板抵挡日军47厘米速射炮弹、步兵炮和野战炮的轰击，用炽热的火焰摧毁掩体和阻击堡垒，势不可挡。为了阻止美军进攻，日军组织“敢死队”抱着炸弹企图阻挡装甲车进攻，然而，这些“敢死队员”还未到坦克近侧，就被火焰烧成焦黑的尸体。日军第二道防线不久也被撕开了口子，像决了堤的水坝很快崩溃。当天傍晚，1700名日军死去多半，阵地大部分失守，炮台全部被毁，只能躲在地壕中伺机夜袭。
21日，日军采取散兵战与美军周旋。由于日军在暗处，美军不识地道交通网络，不少官兵死于冷枪之下。
22日，美军动用坦克封锁地下战壕进出口，火焰喷射器喷出长长的炽热火舌，舔吮着日军士兵的头部和身躯。火焰喷入日军地下战壕后，洞中岩石如同火炭般散发高温，洞内像冒火一样炎热难耐，而垂死的日军仍然拚命顽抗。
美军运用火攻初步见效后，又用含有白磷的手榴弹、烟幕弹在洞内引爆，打算把日军呛死、烧死或窒息而死。同时采用封口法，用炸药或推土机封口，将躲在洞窟深部的日军活埋在里面。洞内残存的日军已无还击能力，只有在黑暗的深洞内把鼻子紧贴地面，吮吸土中的空气。
23日，美军在硫磺岛最高峰摺钵山山顶升起星条旗。剩下的300余名日军在栗林司令官指挥下仍在洞内伺机反扑，战斗还在继续中。