机场，并切断了岛南日军与元山之间的联系。机场刚刚被攻占，工兵就开始全力抢修，以便尽快能投入使用。陆战五师向折钵山攻击，由于日军很多工事都建在舰炮火力无法射击到的岩洞中，在坦克到来前，二十八团几乎无法前进，最后在坦克掩护下，以手榴弹、炸药包、火焰喷射器逐一消灭岩洞中的日军，有时甚至出动推土机将洞口封闭，因此进展极为缓慢，直到黄昏，才总共前进了180米。
2月21日，岛上的激战仍在继续，进展十分有限。海滩勤务大队经过不懈的努力，解决了滩头的混乱局面，天气却愈加恶劣，海上风大浪高，严重影响了补给品的卸载。由于岛上的部队伤亡较大，作为预备队的陆战三师二十一团奉命上岛投入战斗。
2月22日，因大雨美军登陆部队被迫停止进攻，抓紧进行战地休整。由于三天来，美军在硫磺岛上阵亡、失踪人数已达1204人，负伤4108人。美国国内的新闻界甚至强烈要求“让陆战队喘口气——给日本人放毒气。”诚然，对付隐藏在坑道或岩洞中的日军，毒气既实用，又比火焰喷射器更为“仁慈”，尽管美、日两国都没有签署严禁使用毒气的《日内瓦公约》，但罗斯福总统和尼米兹都不愿违反公约，战后尼米兹承认，没有使用毒气完全是出于道义的考虑，结果使大量优秀的陆战队员付出了生命。
2月23日，美军陆战四师以二号机场为目标发起总攻，但在日军永备发射点、坑道、地堡和岩洞工事组成的防线前，推进极为缓慢，简直像蜗牛爬行。全天，只有右翼前进了约300米，左翼和中间几乎毫无进展。
这天唯一的战果是在折钵山，美军因其不断喷发烟雾，称之为“热岩”，日军几乎将整座山掏空，修筑有数以千计的火力点，尤其是山顶的观察哨，居高临下俯瞰整个东海岸，能准确指引、校正纵深炮火的射击，对于美军威胁极大。经四天血战，十时二十分，陆战五师二十八团由哈罗得&；amp；#8226；希勒中尉率领的40人组成的小分队，终于攻上了折钵山山顶，升起了一面美国国旗。尽管折钵山上，仍有近千日军凭借着坑道和岩洞工事拼死抵抗。四小时后，希勒的士兵又插起了一面更大的星条旗，美联社记者乔&；amp；#8226；罗森塔尔将插旗时的情景拍摄下来，这张照片随即广为流传，成为胜利的象征。后来太平洋战区总部还专门查询插旗的陆战队员姓名和家庭地址，进行表彰。刚赶到硫磺岛视察的美国海军部长福雷斯特尔和第五两栖军军长史密斯注视着在折钵山山顶飘扬的国旗，非常激动，福雷斯特总结到：“折钵山升起的国旗意味着海军陆战队从此后五百年的荣誉！”海面上军舰上的水兵看到这面象征胜利的旗帜，欢声雷动！——特纳将陆战五师二十八团留在折钵山，负责肃清山上的日军，而五师的另两个团则调到北部，协同四师攻击元山地区的日军。
同日，美军的航母编队在硫磺岛以东海域与海上勤务大队会合，接受海上补给，当晚再次向日本本土进发，以压制日军可能对硫磺岛的支援。
2月24日，战斗殊为激烈，陆战三师二十一团在海空火力的大力支援下，由坦克开道，终于突破了日军在二号机场南侧的防线，推进730米，拔除了日军近800个碉堡，日军随即发动了一次逆袭，二十一团猝不及防，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，日军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是越来越顽强。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三师师部和陆战第九团、野战炮兵第十二团送上岛，投入战斗。
2月25日，三个陆战师在硫磺岛并肩开始攻击，四师在右，三师居中，五师在左，并列向东北推进。
同一天拂晓，美军的航母编队到达距东京东南190海里海域，出动舰载机对东京地区的日军机场和飞机制造厂进行空袭，和第一次空袭一样，因为天气恶劣，轰炸效果并不理想，米切尔随后指挥航母编队转向西南，前去突击冲绳岛。于3月1日对冲绳首府那霸进行了空袭，同时对冲绳岛、庆良间列岛和奄美大岛等地进行了航空摄影，为即将开始的冲绳战役提供资料。航母编队最后于3月4日返回了乌利西。
3月1日，美军经过激烈的鏖战，终于攻占了二号机场和元山村。
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4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。在对岛上第二制高点382高地的争夺中，陆战四师屡屡陷入日军交叉火网，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、班长大都由普通士兵担任。美军必须逐一消灭侧翼的日军阵地，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，二十四团才攻上了高地，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。
左翼的五师，攻击362高地的遭遇与四师在382高地如出一辙：刚攻上山头，侧翼日军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，美军死伤枕籍，却毫无收获，只得先消灭最突出部的日军阵地，再步步为营艰难向前推进。日军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，所以日军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。美军饱尝失利的苦果，终于痛定思痛，改变战术，3月7日拂晓，美军没进行任何炮火准备，借助黎明前的黑夜，悄然接近日军阵地，突然发起冲击，打了日军一个措手不及，一举攻占了362高地。
陆战队员的巨大牺牲并没有白费，3月3日，就有一架C—47运输机在硫磺岛的一号机场降落。次日一架在空袭日本本土时受伤的B—29在硫磺岛紧急降落，硫磺岛的价值已经开始得到了体现。
3月7日，美军发动总攻，担负****突破的陆战三师势如破竹，进展神速，遇到难以克服的日军阵地就设法绕过去，继续向前推进，尽管给后续的陆战四师、五师留下不少“钉子”，但三师突破了日军的防线，并于两天后攻到了西海岸，占据了一段约800米长的海岸，将日军分割为两部分。陆战三师二十一团一营最先杀到西海岸，作为战绩的证据，营长在一个军用水壶里装满了海水，贴上：“只供检验不得饮用。”的标签，派人送给师长厄金斯少将。
3月9日美军占领了尚未完工的三号机场。粟林得知美军突破了防线将日军一分为二时，立即组织部队进行反击，他深知美军火力强，正面进攻难以奏效，所以进行的是夜间渗透反击。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。美军发现了日军的行动，发射的照明弹将黑夜照得如同白昼，许多日军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，给予反击日军重大杀伤，天亮时，日军的反击被彻底粉碎，伤亡至少一千人，徒劳无功，反而损失了大量有生力量，给以后的作战带来极为不利的影响。
3月10日，陆战三师将日军防线截为两段后，随即开始向两面扩张战果，九团向东，二十一团向西，分别策应陆战四师、五师的攻击。尽管日军的防御态势已经相当不利，但日军仍依托工事死战不退，尤其是陆战五师面对的是由粟林直接指挥的部队，遭到的抵抗更为激烈，陆战五师的伤亡超过75％，许多战斗部队失去了战斗力，师部的文书、司机甚至炊事员等勤杂人员都投入了战斗。三师、四师的伤亡也很严重，出于这种情况，陆战四师师长克利夫顿&；amp；#8226；凯兹少将向粟林和硫磺岛日军中战斗力最强的第一四五联队队长池田大佐发出劝降信，信中首先向他们无畏精神和英勇作战表示了尊敬，接着说明了目前无法取胜的处境，最后要求他们指挥所属部队停止抵抗，美军将保证投降日军根据《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余日军被歼灭，美军于当日十八时宣布占领硫磺岛，但战斗仍在继续，粟林指挥残部依然在抵抗，有时战斗还相当激烈。陆战三师师长厄金斯少将找到两名日军战俘，给了他们很多干粮，还配备了一部最新式的报话机，然后让他们给粟林和池田带去劝降信。这两名战俘将劝降信设法交给了池田大佐的传令兵，但到了规定的时间期限，日军仍未投降，这两战俘为美军的人道主义待遇所感动，竟留在日军防线里，通过报话机为美军炮火指引目标，一直到18日才返回美军战线。
3月21日，日本天皇晋升粟林为大将军衔，以表彰他的英勇作战。
从16日美军宣布占领硫磺岛后又经过整整一周的激战，24日美军才将残余的日军压缩在岛北部约2100平方米的狭小范围里。粟林于当晚焚毁了军旗，发出了最后的诀别电报，然后销毁密码，准备实施最后的决死反击。
3月25日，粟林派人设法通知岛上每一个人，于夜间携带武器在三号机场附近的山区集合。
3月26日凌晨，粟林亲自率领约350名日军向二号机场的美军发起了最后反击，许多美军在睡梦中被杀，天亮后，美军组织扫荡，四处追杀这股残余日军，激战三小时，将这股日军大部歼灭，日军仅遗留在美军阵地前的尸体就有250具，粟林负伤后切腹自杀，美军伤亡172人。美军于当天八时宣布硫磺岛战役结�