前期準備
早在1944年10月07日，美軍已經計劃攻佔硫磺島，作爲轟炸日本本土的空軍基地，投入總兵力達7萬人。12月13日，日軍海軍偵察機發現有170艘美軍戰艦向硫磺島駛來，日軍已經作好準備。他們的戰術方針是，在美軍登陸時不暴露任何火力，直到美軍進入內地500米時，集中所有火力消滅灘頭的美軍有生力量。
自1944年12月08日，美國派出馬里亞納起飛的B-24轟炸機連續74天對硫磺島進行轟炸，投擲了800噸炸彈，這年底幾乎每天晚上美軍都會對硫磺島進行轟炸，雖然擊沉日軍數艘運輸船，但沒有對其地下工事造成嚴重傷害。 1945年01月02日，轟炸機集中對其機場進行轟炸，日軍調集11輛卡車，2輛推土機，600人對機場搶險修復，2000人去填彈坑，平均每個彈坑有50人填，僅用了12小時就修復了機場。
1945年02月16日，美軍開始對硫磺島進行三天的集中轟炸。
搶灘
1945年02月15日美軍向硫磺島海域聚集，6艘老式戰列艦加5艘巡洋艦在偵查機的校準下炮擊島上表面陣地。同時派出12艘登陸艇佯動接近東海岸，折鉢山上的日軍炮擊導致9艘失去移動能力，3艘重傷。這同時暴露了日軍重炮的位置，戰列艦內華達發射的重磅炮彈摧毀了這些重炮。
02月19日，02:00，美軍開始進攻，100架轟炸機先進行轟炸。06:40，炮艦火力跟上。08:05，由於報告戰果不理想120架B29開始第二輪轟炸。08:25，至09:00艦炮持續炮擊。此時登陸艇在海面轉圈航行讓守軍無法知道登陸的確切時間。09:00，由第4，5海軍陸戰師組成的第一波3萬人開始登陸。日軍按照預先部署沒有立即對灘頭的美軍發起攻擊。10:00，日軍突然發動反擊，美軍第24，25團死傷25%，第一波上陸的56輛坦克半數損失。傍晚，美軍已將山頭包圍，其餘4萬人也開始登陸。當晚日軍沒有采用瓜島之戰的人海突擊戰術，而是小規模襲擾灘頭的美軍。
當日美軍死亡548人，包括二次大戰中唯一同時獲得榮譽勳章及海軍十字勳章的海軍陸戰師傳奇人物：美國第1海軍陸戰師機槍排排長約翰·巴西隆(John Basilone)中士。他在硫磺島戰役爆發前不久才調往第5海軍陸戰師。另外受傷共1755人。
奪取折鉢山
20日，美軍留下28團進攻折鉢山。其他三個團向元山方向進擊。黃昏時佔領千鳥機場。切斷折鉢山同島中央慄林中將指揮部的聯繫。折鉢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，美軍用火焰噴射器和手榴彈進攻地堡，折鉢山獨立守備隊隊長厚地兼彥大佐戰死。
21日，後備隊第3海軍陸戰師登陸。日軍32架飛機從千葉縣香取基地起飛對美軍展開敢死攻擊。擊傷美軍航母薩拉託加，擊沉護航航母一艘。美軍當日死亡644人，傷4108人，失蹤560人。
22日，由於戰鬥減員嚴重，第3陸戰師接替第4陸戰師繼續進攻元山。折鉢山方面還在山腳處於膠着狀態。美軍用火焰噴射器逐次消滅坑道中的日軍，無法燒到的情況用黃磷彈或者灌入汽油點燃燻烤。美國國內新聞界甚至強烈要求尼米茲用毒氣，但他沒答應，使大量的陸戰隊員付出生命。
23日，第5陸戰隊終於登上折鉢山插上星條旗。12點15分又換了一面更大的旗幟，這就是隨軍記者喬·羅森塔爾(Joe Rosenthal)拍下了著名的《美軍士兵在硫磺島豎起國旗》的照片，後來這幅照片成爲許多雕塑和繪畫作品的原型。在華盛頓市外的阿靈頓縣依照這張照片做的雕塑成爲紀念美國海軍陸戰隊的紀念碑。
元山附近的戰鬥
24日至26日美軍佔領折鉢山後集中力量以每小時10米的速度向元山機場推進。日軍使用戰車26聯隊防守。26日黃昏美軍佔領元山機場，至此日軍死傷過半，彈藥只剩原來的1/3。
同日美軍工兵修復千鳥機場可供偵察機起降。3月初機場基本被修復。03月04日，一架轟炸東京後受傷的B29在兩軍的炮火下首次着陸成功。
日軍在元山的正面由千田少將率領混成第2旅團防守，被美軍稱爲“絞肉機”。03月05日慄林中將把指揮部從中部撤往北部。
03月06日，第一架P51戰鬥機在硫磺島降落。
03月07日，拂曉美軍發起突擊切斷北部和東部的聯繫。
玉碎
敗局已定，慄林中道中將命令步兵第145連隊長池田大佐燒燬軍旗，並於03月16日向東京大本營發出訣別電。“物量的優勢ヲモッテスル陸海空ヨリノ攻擊ニ対シ、克ク健闘ヲ続ケタルハ小職自ラ聊カ悅ビトスル所ナリ…然レドモ要地ヲ敵手ニ委ヌル外ナキニ至リシハ小職ノ誠ニ恐懼ニ堪エザル所ニシテ、幾重ニモオ詫ビ申シ上グ…。”(翻譯：面對數量和質量佔優的陸海空攻擊，卑職已盡全力，然現在險要盡落敵手，卑職萬分抱歉)。
03月17日美軍到達最北端的北之鼻，同日慄林被晉升爲大將併發出最後一次命令。
03月26日慄林大將、市丸少將率領剩餘的數百名士兵向美軍航空兵營地作了最後一次反擊(萬歲衝鋒)。造成美軍53人死亡，119人受傷。至此日軍全軍覆滅再也沒有組織的抵抗。由於慄林大將衝鋒前扯去了軍銜章，因此無法確認屍體。從市丸少將屍體上發現了寫給羅斯福的遺書。
結局
03月15日，美軍宣佈硫磺島之戰勝利。
03月21日，日軍大本營發佈硫磺島日軍玉碎的報告。“戦局ツヒニ最後ノ關頭ニ直面シ、17日夜半ヲ期シ最高指導官ヲ陣頭ニ皇國ノ必勝ト安泰トヲ祈念シツツ全員壯烈ナル総攻擊ヲ敢行ストノ打電アリ。通爾後通信絶ユ。コノ硫黃島守備隊ノ玉砕ヲ、一億國民ハ模範トスヘシ。”(翻譯：戰局已經到了最後的關頭，17日午夜最高指揮官胸懷必勝的信念和對皇國安泰的祝福率領全軍向敵人發起衝鋒，隨後音訊皆無，硫磺島守備部隊的玉碎壯舉，必將成爲一億國民的典範)
美軍見到地堡入口隨即灌入海水、倒入汽油點火、手榴彈、火焰噴射器攻擊，之後許多日本兵在地堡內利用手榴彈相互自殺。由於無法獲得任何的支援，日軍在硫磺島進行了誓死的抵抗，其中21800人戰死，只有不到1%的200人被俘。美軍傷亡26000人，其中戰死6821人。27人獲得榮譽勳章，超過了美國海軍陸戰隊在第二次世界大戰中獲得榮譽勳章總數的1/4。敵對雙方都承受了很大的傷亡，零散日軍仍然在繼續抵抗，直到03月26日，硫磺島才完全被美軍控制。
戰後雙方都以硫磺島戰役爲題材拍了多部電影，寫了多部書。美國海軍上將尼米茲說：“對於在硫磺島作戰的人來說，不尋常的勇氣是普遍的美德”。
