盡管日軍的防御態勢已經相當不利，但日軍仍依托工事死戰不退，尤其是陸戰5師面對的是由栗林直接指揮的部隊，遭到的抵抗更為激烈，陸戰5師的傷亡超過75%，許多戰斗部隊失去了戰斗力，師部的文書、司機甚至炊事員等勤雜人員都投入了戰斗。

3師、4師的傷亡也很嚴重，出于這種情況，陸戰4師師長克利夫頓.凱茲少將向粟林忠道中將和硫磺島日軍中戰斗力最強的第145聯隊隊長池田增雄大佐發出勸降信，信中首先向他們無畏精神和英勇作戰表示了尊敬，接著說明了無法取勝的處境，最后要求他們指揮所屬部隊停止抵抗，美軍將根據《日內瓦公約》保證投降的日軍受到人道待遇。但勸降信如同石沉大海，沒有回音。

3月16日，東北部的800余日軍被殲滅，美軍于當日18:00時宣布占領硫磺島，但戰斗仍在繼續，粟林指揮殘部依然在抵抗，有時戰斗還相當激烈。敗局已定，同日，栗林中將命令步兵第145聯隊長池田大佐燒毀軍旗，并向東京大本營發出訣別電:“面對數量和質量占優的陸海空攻擊，卑職已盡全力，然現在險要盡落敵手，卑職萬分抱歉”。然后銷毀密碼，準備實施最后的決死反擊。

3月17日，日軍大本營晉升栗林為大將軍銜，以表彰他的英勇作戰。同日粟林對殘余部隊下達總攻擊指令:一、戰局已無可挽回。二、兵團于17日晚上發動總攻擊。(實際上17日晚并沒有發起總進攻，而是等到了26號清晨。)三、各單位于本夜午時，向各方面的敵軍進攻，戰到最后一兵一卒。四、我將一如往常在諸位前頭。

陸戰三師師長厄金斯少將找到兩名日軍戰俘，給了他們很多干糧，還配備了一部最新式的報話機，然后讓他們給栗林和池田帶去勸降信。這兩名戰俘將勸降信設法交給了池田的傳令兵，但到了規定的時間期限，日軍仍未投降，這兩戰俘為美軍的人道主義待遇所感動，竟留在日軍防線里，通過報話機為美軍炮火指引目標，一直到18日才返回美軍戰線。

從16日美軍宣布占領硫磺島后又經過整整一周的激戰，24日美軍才將殘余的日軍壓縮在島北部約2100平方米的狹小范圍里。

3月25日，栗林派人設法通知島上每一個人，于夜間攜帶武器在三號機場附近的山區集合。

3月26日凌晨，栗林忠道親自率領約350名日軍向二號機場的美軍發起了最后反擊，許多美軍在睡夢中被殺，天亮后，美軍組織掃蕩，四處追殺這股殘余日軍，激戰三小時，將這股日軍大部殲滅，日軍僅遺留在美軍陣地前的尸體就有250具，栗林負傷后在島上剖腹自殺，美軍傷亡172人。

美軍于當天9:00時宣布硫磺島戰役結束，但殘余日軍的戰斗一直持續到4月底。

硫磺島的日軍在殊死抵抗的同時，日本海軍聯合艦隊由于主要的水面艦只在菲律賓萊特灣海戰中損失殆盡，殘余軍艦因為燃料不足，也無力組織救援。能夠出動增援的就只有岸基航空兵和潛艇部隊了，但岸基航空兵的第一、第二航空艦隊基本喪失了戰斗力，第三航空艦隊還在訓練中，而且是準備在本土保衛戰中使用，因此，日軍大本營決定盡量避免損失，只以少量飛機和潛艇實施“特攻作戰”，以最小代價換取最大戰果。

2月19日，日軍在香取基地成立了以自殺飛機為主體的“第二御盾特別攻擊隊”，專門擔負特攻使命。

2月21日，這支特攻隊轉場至八丈島，于中午加油完畢，分批出擊。17時許，第一攻擊波的6架自殺飛機飛臨美軍在硫磺島西北35海里正準備執行夜間空中巡邏任務的"薩拉托加"號航母上空，日機隨即展開攻擊，有4架被擊落，另2架接連撞上這艘航母，使該艦受傷起火，所幸傷勢不重。

18:50分，"薩拉托加"號的水兵剛把艦上的大火撲滅，日軍第二攻擊波5架自殺飛機就接踵而至，前4架均被擊落，第5架雖被擊傷，仍一頭撞上"薩拉托加"號，在航母甲板上翻滾著落入海中，給母艦造成了多處創傷，被毀飛機42架，艦員陣亡123人，傷192人。只是因為艦上損管人員搶修得力才幸免沉沒，終因傷勢太重而奉命撤出戰場，隨即回國進塢大修，直到戰爭結束再未能參戰。

與此同時，日軍神風敢死隊的自殺飛機還攻擊了硫磺島以東的美軍艦艇，一架日機撞上了“俾斯麥海”號護航航母的后升降機，并在機庫里爆炸，立即引爆了機庫里的飛機，大火迅速蔓延，很快波及到了彈藥艙，引發了大爆炸，艦長見無法挽回，只得下令棄艦。該艦燃燒了足足三小時，才沉入海中。艦上水兵傷亡約350人。

被日軍自殺飛機擊傷的還有"隆加角"號護航航母、477號和809號坦克登陸艦、"基厄卡克"號運輸船。日軍除組織自殺飛機的攻擊外，還以潛艇實施特攻作戰。

2月19日，日寇以伊-368、伊-370、伊-44各攜帶五條、五條和四條人操**，組成代號為"千草"的特攻隊，于2月20日、21日、22日分別從瀨戶內海的大津島潛艇基地出發，前往攻擊硫磺島海域的美軍艦隊。

2月23日，又命令16日從吳港出發原定前往琉球群島活動的呂-43號潛艇改往硫磺島攻擊美艦。

2月26日，到達硫磺島海域的伊-368號和呂-43號被美軍艦載機擊沉，伊-370號則被美軍的驅逐艦擊沉。伊-44號多次向美艦接近，都受到美軍反潛艦只的有力壓制，無法占據人操**的出發陣位，只好返航，回日本后艇長因未完成任務而被撤職。

2月28日，日軍又以伊-58號和伊-36號潛艇各攜帶四條人操**組成代號為"神武"的特攻隊，分別于3月1日和2日從吳港出發，但到了3月6日，日軍統帥部見硫磺島大勢已去，這才命令在硫磺島海域活動的潛艇全部撤出。