与美军此前夺取的吉尔伯特群岛和马绍尔群岛中地势低洼的珊瑚环礁比起来，马里亚纳群岛非常不同。马里亚纳群岛中的岛屿面积很大且地势崎岖，岛上主要是陡峭的山峰、大峡谷、起伏的高地以及大片的甘蔗地。岛上的低地被茂盛的植被覆盖。塞班岛、关岛和提尼安岛（天宁岛）是马里亚纳群岛南部的三大岛屿，也是美军的主要目标。
三大岛屿总面积近300平方英里。其中，塞班岛南北长19公里。一条位于岛屿中部的火山脊几乎纵贯全岛。岛的西侧（背风面）海拔高度逐渐下降，从丘陵上的梯田和甘蔗地，直至人口密集的沿海平原。西海岸有三座城镇，居住着约3万人，其中约56是日本人和琉球人，其他的以查莫罗人和朝鲜人为主。负责夺岛的美军第5两栖军的士兵曾在平坦狭窄的地形作战，而在塞班岛，他们需要在人口密集城镇、甘蔗地以及偏远山区里作战。
19年6月6日，欧洲战场盟军发起诺曼底登陆。此时在太平洋上，另一支大型水陆两栖舰队已经在太平洋中破浪前行，驶向马里亚纳群岛。指挥这支600多艘舰船的是太平洋舰队第5舰队司令斯普鲁恩斯，这支舰队包括米切尔指挥的、攻击能力极强的第58特混舰队，和第5舰队所属的一支战列舰舰队（也称第战斗群）；由特纳指挥的第5两栖编队，共有535艘舰船，其中有12艘护航航母、5艘战列舰和11艘巡洋舰，其余的运输舰上搭载着海军陆战队第5两栖军、第1两栖军的陆战第3师和陆军步兵第2师。
其中，第5两栖军辖第2、第海军陆战师，计划在塞班岛登陆，第3陆战师计划用于夺取关岛，陆军第2步兵师作为预备队，随时支援海军陆战队的行动。上述部队共计12.万人，由第5两栖军局长霍兰德·史密斯统一指挥。
为了防御马里亚纳群岛，日寇大本营于19年初组建第31军，指挥官小畑英良。该军下辖第29、第3和第52师团，以及第、第8、第50、第51和第52独立混成旅团，司令部设在塞班岛。其中塞班岛的守军主要包括陆军第3师团和海军的一支陆战队，总兵力约3万人；驻守关岛的是第29师团和第8独立混成旅团，兵力约1.8万人；驻守提尼安岛的是第3和第29师团各1个联队，兵力约9000人，以及1.5万当地人组成的民兵武装。
值得一提的是，曾经指挥偷袭珍珠港和中途岛战役的日海军将领南云忠一，此时也在塞班岛上，他于19年3月被任命为第1航空舰队司令，而这支舰队根本没有航母，由他指挥的000名海军陆战队也交给了陆军。在美军登陆的T日，第31军司令小畑英良当时正在关岛，所以指挥塞班岛作战的实际上是第3师团长斋藤义次。
第3师团是19年月陆续派往马里亚纳群岛的，该师团一部约000人在5月1日前往塞班岛的途中，遭到美军潜艇的袭击，艘运输舰中有5艘被鱼雷击毁。虽然多数士兵后来得救，但大量的装备、粮食和其他物资沉入海底。
由于缺乏必需的建筑材料和设备，塞班岛沿海防御工事和防空炮台都是匆忙搭建起来的，有很多处都没有完工。防御工事的建筑材料是泥土和木头，而不是钢筋混凝土。成箱的弹药、火炮、带刺铁丝网以及其他军需都存放在靠近西侧登陆地点的海军仓里。后来，大部分物资都被登陆的美军缴获。岛上的重型火炮只有13安装在了炮台上，登陆地点的防御工事和射击点也比计划少了很多。
19年6月11日，美军第58特混舰队率先抵达马里亚纳群岛海域，距离塞班岛只有350公里，这个位置已经处于塞班岛日寇岸基航空兵的打击范围之内。13时，从航母上起飞的208架战斗机飞往塞班岛、关岛和罗塔岛，每架飞机还挂载了一枚500磅的炸弹，他们的目的是摧毁日寇在上述岛屿机场上的航空力量。
15时，美军攻击机群抵达机场上空，由于事先没有侦察到美军来袭，日寇大部分飞机还没有来得及升空，机场的地面防空火力仅击落了美军11架飞机，自身损失飞机上百架，其中大部分是在地面被击毁的。此后的一周，日寇飞机在美军第58特混舰队的连续空袭下，作战飞机从35架减少到不到100架，基本消除了马里亚纳群岛日寇的航空力量。
与此同时，按照斯普鲁恩斯的命令，第58特混舰队的第1和第战斗群驶往马里亚纳群岛西北1300公里远的小笠原群岛，对那里的硫磺岛（此时硫磺岛上日寇还没有重兵把守，还只是一个空军的中转基地）和父岛的机场实施打击，以切断马里亚纳群岛和日本本土的联系，孤立马里亚纳群岛的日寇守军。6月15日，美军对硫磺岛的攻击。次日下午，美机编队对父岛实施空袭，但效果并不理想。随后，第1和第战斗群返回塞班岛海域。
6月13日，第3舰队所属的战列舰编队（也称第战斗群）开始对塞班岛和提尼安岛沿岸实施舰炮火力准备。这支舰队以艘新型快速战列舰为核心，并由巡洋舰和驱逐舰护卫。由于担心日寇在沿岸大陆架布设水雷，所以战列舰舰队始终在距离海岸10000米远的位置，并派出6艘扫雷舰登陆滩头外面海域，结果并没有发现鱼雷。
6月1日，两支水下爆破队被输送到岸礁附近地区，潜水员游到日寇岸炮附近，绘制珊瑚礁的地图，确定登陆艇次日可以采取的线路。潜水员没有发现人造的海滩障碍物，他们炸掉了珊瑚岬，为登陆艇清理出通道。
19年6月15日8时13分，在海军舰炮的轰击掩护下，美军在塞班岛西南部开始登陆。第一批到岸的登陆部队只有很少的伤亡，不到8分钟，海军陆战队员就在每个登陆滩头上都建立了立足点。第二批和第三批登陆舰紧随其后，他们在登陆滩头最南端的“黄一”和“黄二”滩上方遭到猛烈的机枪扫射。在那里，海军陆战队员被压制了一个多小时，只能在沙滩上挖散兵坑躲避炮火。
第四批和第五批登陆舰到达礁石附近、距海岸约900米时，遭到日寇布置在海滩后面的山脊上火炮和迫击炮的猛烈攻击。由于日寇已经提前做过精确测量，瞄准了礁石区域，炮击一开始的时候，礁石一线似乎掀起一面白色浪花和火焰组成的高墙。第一轮齐射的时间算得非常准，美军的几艘登陆艇被直接击中，船上人员全部阵亡。但是，美军舰队的登陆艇数量极多，共有800多艘，并且在头20分钟里，就已经将8000名士兵送上了登陆海滩。
此后，日寇火炮和迫击炮的势头越来越猛烈，已经上岛的海军陆战队员将弹坑作为临时散兵坑，并不断向下挖以躲避日寇的炮火。即便如此，很多人被炮弹直接击中而丧生，有5个营长受伤并撤离，其中1个营当天阵亡了3任营长。在登陆第一天，美军共有2万人成功上陆，自身伤亡2000多人。
当天夜里，第3师团长斋藤义次决心派出预备队，对美军陆战第2师实施反击。日寇的反击并没有达成突然性，甚至可以说没有打算发动突然性。因为他们集结的地点距离处在美军停泊在海岸不远的舰艇的视线之下，舰上水手们目睹了日寇在加拉潘镇的集结，并通过各种方式鼓舞本军的士气。
20时，日寇在0辆轻型坦克的掩护下，约1000人的步兵顺着沿岸公路向南部前进。近岸舰艇及时地跟踪到了他们的动向，并不断发射的照明弹让这支队伍清晰可见。当坦克经过一处无掩蔽的地点时，舰炮瞄准了坦克，摧毁了大概20辆。海军陆战队用机枪和5毫米榴弹炮对日寇还击，随后又发生了一场混战，双方都死伤惨重。次日凌晨，日寇又多次尝试进攻，但是海军陆战队巩固了滩头阵地，并用野战炮、步兵反坦克武器和火箭炮摧毁了剩余的坦克。
鉴于第一批上岛的部队损失较大，霍兰德·史密斯决定陆军第2步兵师上岛投入战斗。6月1日，美军继续向岛内推进，并夺取了日寇用于炮击登陆滩头的炮兵阵地。第陆战师和第2步兵师于当日突破了塞班岛东部的麦吉森湾防线，切断了岛上南部日寇和北面主力部队的联系。随后第陆战师转而北上。第2是则留在南部，负责进攻阿斯里托机场并肃清日寇残余。6月18日，攻岛地面部队指挥官霍兰德·史密斯登岛，在嘉兰卡诺亚建立了自己的指挥所。
6月19日和20日，美军第58特混舰队和小泽治三郎指挥的联合面对第1机动部队进行了一场大海战，战役对于美军一方来说异常顺利，在付出130架飞机的代价下，击沉日寇航母3艘（含2艘重型航母）、油轮2艘，击伤航母艘和其他水上舰艇，彻底打消了日寇增援马里亚纳群岛的企图。
相比于海上的胜利，塞班岛上的战斗则颇为胶着。受困于岛上中部山脊构成的天然屏障，美军的推进极为缓慢。根据霍兰德·史密斯的部署，陆战队的第2师居左、第师居右、陆军第2师居中，三个师一字排开，向北突进，却一直没有打开局面。南部虽然已经绝大部分被美军占领，也仍然有1500名日寇固守在纳夫坦角坚固的工事中。6月26日，该股日寇已经弹尽粮绝，遂发起自杀式冲锋，并一度推进至阿斯里托机场附近，最终被第2师悉数歼灭。
6月23日，霍兰德·史密斯命令各师在这一天密切配合、协同进攻，但是拉尔夫·史密斯的第2师行动迟缓，发动攻击的时间比预定时间晚了一个小时。而且，岛屿中部陡峭而危险得多岩石地带藏有数量众多且分散日寇。美军进攻时，士兵通常躲在散兵坑里，等待密集的炮火支援为他们扫清前进的道路。但是这么做也让敌人有了足够的时间调整部署，日寇在防线的最高点塔波查山周围的悬崖和洞穴中都增派了大量部队，阻止了第2师的推进。
在两翼的陆战师进攻的地段相对平坦，对于进攻部队比较有力，因此陆战第2和第师的进攻相对顺利。遇到坚固的据点，他们会从侧翼发动攻击，或者直接断其退路并绕过去，留给预备队收拾。
推进速度的差异导致美军战线略呈U形，这种阵线可能会让两个海军陆战师的内侧暴露出来，遭到猛烈的反击。所以，霍兰德·史密斯一再严令陆军第2师加紧进攻，拟补战线的漏洞，并不顾军种之间的禁忌，于6月2日离开塞班岛，来到斯普鲁恩斯的旗舰，请求战役最高指挥官签署命令，解除第2师师长拉尔夫·史密斯的职务。在这件可能导致海军和陆军关系决裂的事件中，斯普鲁恩斯尊重了前线指挥官的意见，将拉尔夫·史密斯遣送回珍珠港，第2师的指挥权交给了贾曼。
客观来讲，美国陆军和海军陆战队采取的战术思想和作战原则是不同的。基于本能和训练，海军陆战队坚持积极而富有侵略性地快速攻击，为了争取速战速决，他们愿意承受更高的伤亡率。而陆军的理念是稳扎稳打，在集中的炮火支援下展开进攻，所有营形成广阔的战线，同步推进。而且只要有机会，就尽可能占据侧翼位置。到了夜晚，他们倾向于后撤一定距离，退到前线后方的安全位置。这些原则适合陆地战场上两军大规模对阵的情况，但是在珊瑚岛上岩石遍布的高地，面对分布没有规律的据点里的小股敌军，这一原则的效果并不理想。
在苦战一周后，陆军第2师终于突破了敌军阻碍其前进的据点。塔波查山的总攻任务则落到了第2陆战师的肩上，该师在山脊以西的甘蔗田里击退了几次坦克的攻击后，发动了总攻。最后，在第8陆战团第2营和第29陆战团第1营的共同努力下，美军夺下了山头。
在西海岸，第2陆战师的其他部队在加拉潘烧焦的废墟中苦战，于月3日突破并夺取了坦纳帕格港。
至此，塞班岛的战斗进入最后阶段，日寇的残余部队分散成若干股小部队，孤守在岛上的洞穴中。美军为了清理这些残敌，使用火焰喷射器和手榴弹把这些洞穴变成了日寇的坟墓，被逼无奈的日寇时常冲出洞穴，向美军突然发起最后的冲锋，美军只能用步枪甚至是刺刀还击，自身伤亡同样惨重。
至月6日，龟缩在塞班岛北角山洞里的日寇彻底绝望，守岛日寇司令斋膝义次和日寇中太平洋舰队司令南云忠一相继自杀。
斋藤义次最后的命令是让所有剩余的日本兵（包括所有还能走路的伤员），在月6日夜幕降临后前往西北部海岸附近的坦纳帕格平原上的马昆沙村会合，然后对美军战线发起全面反击，无法行动的伤者将在床上自杀或被别人杀死。
当晚，大约有3000名日寇在持续的炮火轰击中设法到达会合点。没有受伤的和拿着最好武器的士兵列于最前排，四人一行并排前进。仍然有枪的人上好了刺刀，没有枪的则在长棍末端绑上刀或刺刀，制成长矛。队伍的末尾是伤员，有的仍在流血，有的包扎着绷带，一些人拄着拐棍，还有人赤手空拳。
凌晨时5分，天快亮的时候，这支队伍的前锋沿着临海的窄轨铁道冲了出去，闯进美国陆军第2步兵师的两个营所在的防区。凭借人数的优势，他们从美军第106步兵团的第1营和第3营之间的缝隙中冲了过去。这两个营很快被隔断，然后又被分隔成一个个孤立的小队。大批日寇继续往南冲，闯入了更多的美军阵地，直到顺着沿海公路冲到1000多米外的海军陆战队炮兵阵地。
面对日寇的逼近，美军炮手则不停地射击，造成对方伤亡惨重，但是后面日寇爬过前面的尸体，继续往前冲，逼得海军陆战队几乎改为水平射击，而且把炮弹引信缩短到了0.秒。最后，炮手被迫放弃开炮，拔掉了炮闩，然后向南边撤退。
随着敌人数量越来越少，力气用尽，海军陆战队员和陆军士兵小队开始与敌人短兵相接，约00名美国陆军士兵和海军陆战队员在混战中阵亡，其中许多人因刺伤身亡。随后，坦克和步兵增援部队赶来，对敌人进行猛烈的反击。次日9时，美军稳定了防线，开始系统地摧毁留在后方的残敌。清点日寇的尸体后，美国指挥官估计共有311名日本兵被打死。
月8日，美军开始最后的攻势，仍然有大约8000名平民（大多数是日本人）分散在日寇战线中。在切腹之前，斋藤义次宣称平民也有责任避免成为俘虏。换句话说，他们要采取与斋藤义次相同的方式自杀。日寇向平民发放了氰化物胶囊，直到全部发完。然后，士兵开始屠杀其他平民。在拥挤的洞穴里，一颗手榴弹能抵上二十发子弹。还有军官持刀斩杀了数十名甘心赴死的人，一些孩子会围成一个圈，然后传递拉了引信的手榴弹，直到手榴弹爆炸，将他们全部炸死。
月9日，塞班岛战役结束。此战美军亡3126人，伤约1.32万人，另有326人失踪；而日本军死亡约为2.万人，仅2000人被俘。
关岛由珊瑚礁和岩石峭壁环绕，任何两栖攻击都很难实施。岛上建有阿普拉港和奥罗特机场，位于西海岸的中段附近，港口和机场直接相连。北侧和南侧的海滩是仅有的两处登陆理想位置。守岛日寇是第29师团和独立第8旅团，共1.8万余人，由第29师团长高品彪统一指挥。
登陆前，美军第58特遣舰队的第战斗群对关岛进行了为期两周的航空火力轰炸和炮击，摧毁了日寇大部分的火炮阵地和重要的防御设施。
19年月21日早晨，在盖格统一指挥下，第3陆战师和第1临时陆战旅分别在北部的阿桑海滩和南部的阿加特海滩登陆。美军登陆之初就遭到日寇岸炮的猛烈炮击。在南部，第1陆战旅迅速夺取了阿加特村，然后向北推进；在北部阿桑海滩登陆第陆战第3师则遭到守军的反击。在打退日寇的进攻后，第3陆战师在坦克的掩护下，推进到丘陵地带，夺取了琼尼托悬崖，并在安德尔乐普角和阿桑角之间建立了一个1~2公里纵深的登陆场。
与塞班岛一样，守军在入夜后也向登岛美军发起了反击。月25日晚上，一群醉酒的军官和士兵从红树林沼泽边缘冲出来，穿过第22陆战团第3营的战线，冲到了美军的野战医院和指挥所。随后被美军的重机枪、火炮和迫击炮击退，在这次袭击后，许多日寇的高级将领丧命。当天，第步兵师主力在关岛南部阿加特海滩登陆，接替陆战队防守滩头的任务。
月26日到月30日，第陆战团经过5天激战，占领了奥罗特半岛。月28日，第3陆战师在天上山与第步兵师会合，将两个独立的滩头阵地连为一条完整的战线。月30日，美军占领了奥罗特半岛和阿普拉港之。奥罗特机场被占领之后不到6个小时，第一架美军作战飞机降落在机场。
月28日晚，第29师团长高品彪在从指挥所撤退时被机枪击毙。第31军司令小畑英良命令部队进行战术撤退，藏入该岛北部丛林密布的山丘中。由于没有补给，日寇很快就因为饥饿失去了战斗力。8月8日和9日，美军开始向北发起最后的进攻。8月10日，最后的有组织地抵抗力量被歼灭，其余成千上万的日本兵仍然躲在山上，或是独自一人，或是聚成小股继续抵抗。
当天，斯普鲁恩斯乘坐“印第安纳波利斯号”在阿普拉港靠岸，尼米兹将军和范德格里夫特将军则乘飞机降落在奥罗特机场。日寇第31军司令小畑英良兵败自杀。在夺取关岛的行动中，美军有121人丧生，近6000人受伤；日寇阵亡1.万人，1250人被俘。
还在塞班岛战役进行之时，美军就以海空军及舰炮火力，对在塞班岛以南的提尼安岛进行了猛烈的轰炸。月2日，美第2和第海军陆战师约3.5万人在该岛登陆。岛上日寇仅9000人。因此，当美军在北部海滩登陆时，只遇到微弱的抵抗，登陆当天就占领了滩头阵地。
美军在向岛的纵深推进时，遇到了守岛日寇的抵抗。经过几次争夺，美军于第三天巩固了登陆场，并将日寇压迫至南部高地和悬崖。8月1日，美军占领了全岛，日寇大部被歼，小部日寇窜入丛林继续顽抗。在攻占提尼安岛的过程中，为了摧毁日寇的半地下坚固工事，美空军第一次使用了凝固汽油弹。此战，美军伤亡100余人；日寇亡6050人，被俘200余人。