前期准备
早在1944年10月07日，美军已经计划攻占硫磺岛，作为轰炸日本本土的空军基地，投入总兵力达7万人。12月13日，日军海军侦察机发现有170艘美军战舰向硫磺岛驶来，日军已经作好准备。他们的战术方针是，在美军登陆时不暴露任何火力，直到美军进入内地500米时，集中所有火力消灭滩头的美军有生力量。
自1944年12月08日，美国派出马里亚纳起飞的B-24轰炸机连续74天对硫磺岛进行轰炸，投掷了800吨炸弹，这年底几乎每天晚上美军都会对硫磺岛进行轰炸，虽然击沉日军数艘运输船，但没有对其地下工事造成严重伤害。 1945年01月02日，轰炸机集中对其机场进行轰炸，日军调集11辆卡车，2辆推土机，600人对机场抢险修复，2000人去填弹坑，平均每个弹坑有50人填，仅用了12小时就修复了机场。
1945年02月16日，美军开始对硫磺岛进行三天的集中轰炸。
抢滩
1945年02月15日美军向硫磺岛海域聚集，6艘老式战列舰加5艘巡洋舰在侦查机的校准下炮击岛上表面阵地。同时派出12艘登陆艇佯动接近东海岸，折钵山上的日军炮击导致9艘失去移动能力，3艘重伤。这同时暴露了日军重炮的位置，战列舰内华达发色的重磅炮弹摧毁了这些重炮。
02月19日，02:00，美军开始进攻，100架轰炸机先进行轰炸。06:40，炮舰火力跟上。08:05，由于报告战果不理想120架B29开始第二轮轰炸。08:25，至09:00舰炮持续炮击。此时登陆艇在海面转圈航行让守军无法知道登陆的确切时间。09:00，由第4，5海军陆战师组成的第一波3万人开始登陆。日军按照预先部署没有立即对滩头的美军发起攻击。10:00，日军突然发动反击，美军第24，25团死伤25%，第一波上陆的56辆坦克半数损失。傍晚，美军已将山头包围，其余4万人也开始登陆。当晚日军没有采用瓜岛之战的人海突击战术，而是小规模袭扰滩头的美军。
当日美军死亡548人，包括二次大战中唯一同时获得荣誉勋章及海军十字勋章的海军陆战师传奇人物：美国第1海军陆战师机抢排排长约翰·巴西隆(John Basilone)中士。他在硫磺岛战役爆发前不久才调往第5海军陆战师。另外受伤共1755人。
夺取折钵山
20日，美军留下28团进攻折钵山。其他三个团向元山方向进击。黄昏时占领千鸟机场。切断折钵山同岛中央栗林中将指挥部的联系。折钵山独立守备队由日军第312大队和速色炮第10大队组成。日军防守顽强寸土必争，美军用火焰喷色器和手榴弹进攻地堡，折钵山独立守备队队长厚地兼彦大佐战死。
21日，后备队第3海军陆战师登陆。日军32架飞机从千叶县香取基地起飞对美军展开敢死攻击。击伤美军航母萨拉托加，击沉护航航母一艘。美军当日死亡644人，伤4108人，失踪560人。
22日，由于战斗减员严重，第3陆战师接替第4陆战师继续进攻元山。折钵山方面还在山脚处于胶着状态。美军用火焰喷色器逐次消灭坑道中的日军，无法烧到的请况用黄磷弹或者灌入汽油点燃熏烤。美国国内新闻界甚至强烈要求尼米兹用毒气，但他没答应，使大量的陆战队员付出生命。
23日，第5陆战队终于登上折钵山擦上星条旗。12点15分又换了一面更大的旗帜，这就是随军记者乔·罗森塔尔(Joe Rosenthal)拍下了著名的《美军士兵在硫磺岛竖起国旗》的照片，后来这幅照片成为许多雕塑和绘画作品的原型。在华盛顿市外的阿灵顿县依照这张照片做的雕塑成为纪念美国海军陆战队的纪念碑。
元山附近的战斗
24日至26日美军占领折钵山后集中力量以每小时10米的速度向元山机场推进。日军使用战车26联队防守。26日黄昏美军占领元山机场，至此日军死伤过半，弹要只剩原来的1/3。
同日美军工兵修复千鸟机场可供侦察机起降。3月初机场基本被修复。03月04日，一架轰炸东京后受伤的B29在两军的炮火下首次着陆成功。
日军在元山的正面由千田少将率领混成第2旅团防守，被美军称为“绞肉机”。03月05日栗林中将把指挥部从中部撤往北部。
03月06日，第一架P51战斗机在硫磺岛降落。
03月07日，拂晓美军发起突击切断北部和东部的联系。
玉碎
败局已定，栗林中道中将命令步兵第145连队长池田大佐烧毁军旗，并于03月16日向东京大本营发出诀别电。“物量的优势ヲモッテスル陆海空ヨリノ攻击ニ対シ、克ク健闘ヲ続ケタルハ小职自ラ聊カ悦ビトスル所ナリ…然レドモ要地ヲ敌手ニ委ヌル外ナキニ至リシハ小职ノ诚ニ恐惧ニ堪エザル所ニシテ、几重ニモオ诧ビ申シ上グ…。”(翻译：面对数量和质量占优的陆海空攻击，卑职已尽全力，然现在险要尽落敌手，卑职万分抱歉)。
03月17日美军到达最北端的北之鼻，同日栗林被晋升为大将并发出最后一次命令。
03月26日栗林大将、市丸少将率领剩余的数百名士兵向美军航空兵营地作了最后一次反击(万岁冲锋)。造成美军53人死亡，119人受伤。至此日军全军覆灭再也没有组织的抵抗。由于栗林大将冲锋前扯去了军衔章，因此无法确认尸体。从市丸少将尸体上发现了写给罗斯福的遗书。
结局
03月15日，美军宣布硫磺岛之战胜利。
03月21日，日军大本营发布硫磺岛日军玉碎的报告。“戦局ツヒニ最后ノ关头ニ直面シ、17日夜半ヲ期シ最高指导官ヲ阵头ニ皇国ノ必胜ト安泰トヲ祈念シツツ全员壮烈ナル総攻击ヲ敢行ストノ打电アリ。通尔后通信絶ユ。コノ硫黄岛守备队ノ玉砕ヲ、一亿国民ハ模范トスヘシ。”(翻译：战局已经到了最后的关头，17日午夜最高指挥官胸怀必胜的信念和对皇国安泰的祝福率领全军向敌人发起冲锋，随后音讯皆无，硫磺岛守备部队的玉碎壮举，必将成为一亿国民的典范)
美军见到地堡入口随即灌入海水、倒入汽油点火、手榴弹、火焰喷色器攻击，之后许多日本兵在地堡内利用手榴弹相互自杀。由于无法获得任何的支援，日军在硫磺岛进行了誓死的抵抗，其中21800人战死，只有不到1%的200人被俘。美军伤亡26000人，其中战死6821人。27人获得荣誉勋章，超过了美国海军陆战队在第二次世界大战中获得荣誉勋章总数的1/4。敌对双方都承受了很大的伤亡，零散日军仍然在继续抵抗，直到03月26日，硫磺岛才完全被美军控制。
战后双方都以硫磺岛战役为题材拍了多部电影，写了多部书。美国海军上将尼米兹说：“对于在硫磺岛作战的人来说，不寻常的勇气是普遍的美德”。
