第23团随即在坦克支援下开始攻击前进，但进展依然缓慢，直到1时，才攻到一号机场东端。随后又因为日寇反坦克炮火太猛，坦克被迫撤回。第23团的第一天的攻势也就只好在一号机场边停了下来。
第师第25团被海边悬崖上的大量日寇永备发射点所阻，伤亡严重，毫无进展。为摧毁这些永备发射点，美军使用了一种新的引导舰炮射击法∶先以登陆艇向目标发射曳光弹，巡洋舰再根据曳光弹的弹着点射击，效果极佳，到黄昏时分，终于消除了这些火力点的威胁，但第25团在登陆当天几乎没有进展。
日落时，美军已有6个步兵团、6个炮兵营和2个坦克营共约3.3万人上岸，占领了宽约3600米，纵深从650米到1000米不等的登陆场。
全天有58人阵亡，155人负伤，伤亡总数约占登陆总人数的8%，坦克损失28辆。当晚，日寇没有像塞班岛守军那样发动自杀性冲锋，而是以自制“炸弹火箭”向美军登陆地区发动袭击，因美军阵地非常拥挤，造成较大伤亡。
2月20日凌晨开始，海上舰炮就根据岛上部队新指定的目标进行火力准备，第师趁势突破守军防御，攻占一号机场。此后，该师以第23团和第2团并肩突击，在坦克支援下摧毁日寇一连串的坚固据点。中午过后由于地形越来越崎岖，加之雷区阻碍，坦克无法前行，失去坦克支援的步兵完全被日寇凶猛炮火所压制，进攻不得不停止。左翼的第25团运气最差，第1、第2营的营指挥所相继被日寇炮火命中，弹药囤积处和急救站也遭到炮击，甚至还遭到美军飞机的误击，进攻只能中断。
20日时50分，第5师第28团开始进攻南端的折钵山，折钵山是由地道、岩洞、堡垒组成的半独立守备区域，由松下久彦指挥的1300名陆军和60名海军负责防御，尽管在登陆日由于作战心切，过早开火暴露了多处火炮阵地而招致美军舰炮的猛烈轰击，但守军抵抗仍然顽强。美军第28团在进攻的前3个小时只推进了50多米。此后，坦克前来助战，同时美军飞机、舰炮、炮兵第13团3营的105毫米榴弹炮、28团所属的3毫米战防炮和5毫米山炮一齐开火，再以手榴弹、炸药包、火焰喷射器逐一消灭岩洞中的日寇，有时甚至出动推土机将洞口封闭，才能肃清日寇的抵抗。因此进展极为缓慢，直到黄昏，才总共前进了180米。
2月21日，岛上第和第5师的进展仍然缓慢，登岛预备队陆战第3师第21团奉命登岛。第5师第28团当天在0架轰炸机轰炸开道的情况下，继续向折钵山进攻。午后日寇钻出工事，第一次在白天发起反击，都被美军击退，第28团趁势攻到折钵山脚下，入夜转入防御。
2月22日上午，大雨滂沱，美军没有发动进攻。在过去3天的进攻中，美军阵亡、失踪120人，108人负伤。午后，第28团的进攻取得一些进展，美军将折钵山日寇合围。守军向栗林忠道请求发动自杀冲锋，被栗林忠道拒绝，并命令依托工事死守。
2月23日上午10时，第28团1个排登上折钵山山顶，并在山顶上树立起美国星条旗。尽管此时他们脚下还有1000多名日寇在抵抗，但仍然给攻岛的部队带来了极大的鼓舞。此后第28团继续留在折钵山，负责肃清山上的日寇。第5师的另2个团则调到北部，协同第师攻击元山地区的日寇。当晚折钵山残余日寇发动最后反击，有的身背炸药包进行自杀袭击，有的则拼死杀开血路向后撤退，最终只有约20 名日寇突出美军包围，其余近2000人全部战死。而美军第28团也付出了阵亡895人的惨重代价，因此美军只得将第28团撤出一线，作为军预备队。
2月2日，战斗殊为激烈，陆战第3师第21团在海空火力的大力支援下，由坦克开道，终于突破了日寇在二号机场（元山机场）南侧的防线，一口气推进30米，拔除了日寇近800个碉堡。眼看美军进展如此之快，日寇随即发动了一次反击，美军第21团猝不及防，一度被迫后退，随后在舰炮支援下拼死反击，才将阵地巩固。
很快美军就发现，随着逐渐升高的地形，日寇构筑了密如蚁穴的地堡和纵横交错的坑道网，凭借着这些工事抵抗越来越顽强。至当天，美军伤亡总数已达6000 人，其中阵亡1600人，面对如此惨重的伤亡，美军将作为预备队的陆战3师师部和陆战第9 团、野战炮兵第12团送上岛，投入战斗。
2月25日，3个陆战师在硫磺岛并肩开始攻击，第师在右，第3师居中，第5 师在左，并列向东北推进。至3月1日，经过激烈的鏖战，美军终于攻占了二号机场和元山村。但是硫磺岛上的美军每前进一步，都要付出巨大的代价，战斗已经成为不折不扣的消耗，有时一整天只前进3、米，惨重的伤亡甚至使军官们都没有勇气再将士兵投入战斗。
陆战第师一名中尉军官在作战日记上这样写道：“军官们把士兵送上前线，这需要很大的勇气，因为自这个师成立以来就认识的人，很多已经死去了。再向前推进也需要勇气，第一天推进100码，第二天早上数一数少了多少人，然后再向前推进，这样残酷的事却是唯一的办法。”
在陆战第师对第二制高点382高地的争夺中，屡屡陷入日寇交叉火网，伤亡极其惨重，382高地因此被称为“绞肉机”，战斗部队的伤亡高达50%以上，有经验的连、排长和军士长伤亡殆尽，许多连队连长由少尉或上士担任，而排长、班长大都由普通士兵担任。美军必须逐一消灭侧翼的日寇阵地，只有解除侧翼威胁才有可能向前推进，所以战斗异常残酷、激烈，直到3月2日，第师第2团才攻上了高地，但所付出的伤亡是巨大的，有好几个连的官兵非死即伤，几乎全连覆没。
左翼的第5师在攻击362高地的遭遇与第师在382高地如出一辙，刚攻上山头，侧翼日寇立即以密集火力封锁美军的退路，再以纵深火力和凶猛的反击将攻上高地的美军尽数消灭，美军死伤枕藉，却毫无收获，只得先消灭最突出部的日寇阵地，再步步为营艰难地向前推进。
日寇早已掌握了美军的攻击程序，先是航空火力准备，再是舰炮火力轰击，接着是地面炮火射击，最后才是步兵冲击，所以日寇总在坑道里躲过美军的炮火，再进入阵地迎击步兵的进攻，一次又一次粉碎了美军的攻势。
战斗中，美军经常发现面前正在抵抗的日寇突然消失了，似乎是在一瞬间躲入了地下。日寇的战术很明确，为了免遭美军优势炮火的打击，日寇利用极其巧妙的伪装和隐蔽尽可能将美军放近，很多时候日寇都是在仅有几米的距离时才突然开火，这样的射击距离几乎是弹无虚发，也正因为这样才能最有效地隐蔽自己。
美军饱尝失利的苦果，终于痛定思痛，改变战术。3月日拂晓，美军没进行任何炮火准备，借助黎明前的黑夜悄然接近日寇阵地，突然发起冲击，打了日寇一个措手不及，一举攻占了362高地。此后，担负中央突破的陆战3师势如破竹，进展神速，遇到难以克服的日寇阵地就设法绕过去，继续向前推进，尽管给后续的陆战第、第5师留下不少“钉子”，但第3师最终突破了日寇的防线，并于两天后攻到了西海岸，占据了一段约800米长的海岸，再次将岛上日寇分割为两部分。
3月8日晚，指挥第2混成旅团的千代贞季少将决定次日晚集中进行炮火轰击后组织一次总攻，总攻时间在传达中被误传为当天晚上，于是当晚约1500名日寇向美军陆战第师阵地发起攻击，结果在美军猛烈的炮火下死伤惨重而毫无收获。栗林意识到面对美军优势炮火，这样的冲锋毫无价值，随即下令取消了第二天的总攻命令。
3月9日，美军占领了尚未完工的三号机场。当晚栗林得知美军已经突破了防线冲到西海岸，将日寇防线一分为二时，知道再被动坚守，只能是坐以待毙，转而又决定组织部队进行反击。
不过他深知美军火力太强，正面进攻难以奏效，所以决定夜间渗透反击。他命令部队尽可能穿越美军的防线，渗透到美军后方重新打通两翼联系。
美军发现了日寇的行动，不断发射的照明弹将黑夜照得如同白昼，然后借着照明弹的光亮对暴露的日寇进行射击。美国海军陆战队接受过严格的战斗训练，即便是勤杂人员都是战斗兵。他们在突然遭到袭击的夜战中，长期训练有素的反应就是卧倒，然后向任何移动的目标开火。
尽管如此，许多日寇还是越过了美军的前沿防线，有的甚至渗透距离达1600米，但美军预备队和后方勤务人员依托工事顽强抗击，给予反击日寇重大杀伤，天亮时，日寇的反击被彻底粉碎，伤亡至少1000人。这次徒劳无功的反击，白白损失了大量有生力量。
3月10日，陆战3师将日寇防线截为两段后，随即开始向两面扩大战果，第3师第9团向东，第21团向西，分别策应两翼陆战第、第5师的攻击。尽管日寇的防御态势已经相当不利，但仍依托工事死战不退，尤其是陆战第5师面对的是由栗林直接指挥的部队，遭到的抵抗更为激烈。
陆战第5师的伤亡超过了5%，许多战斗部队伤亡殆尽，师部的、司机甚至炊事员等勤杂人员都投入了战斗。第3师、第师的伤亡也很严重。出于这种情况，陆战第师师长克利夫顿·凯兹少将向栗林和硫磺岛日寇中战斗力最强的第15联队队长池田发出劝降信，信中首先向他们的无畏精神和英勇作战表示了尊敬。接着说明了目前继续抵抗也毫无取胜的处境，最后要求他们指挥所属部队停止抵抗，美军将保证投降日寇根据《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余日寇被歼灭，美军于当日18时宣布占领硫磺岛，但战斗仍在继续，栗林指挥残部依然在抵抗，有些地方的战斗还相当激烈。3月1日，残余的日寇800余人被美军牢牢围困。3月25日夜，日寇守岛司令栗林率残部企图突围，但大部被美军歼灭，栗林忠道自杀。3月26日，美军宣布战役结束，但清剿残余日寇的行动一直持续到月底才结束。
硫磺岛战役历时约35天，美军为此付出了死伤2.1万余人的代价，约占登陆部队人数的13；日寇守岛部队被击毙2.2万余人，被俘1000余人。