1944年2月，當美軍收復馬紹爾群島以及1944年1月對加羅林群島的楚克發動毀滅性的空中打擊后，日軍大本營開始重新評估情勢。為抵御美軍的行動，日軍建立了一個環形防衛圈“絕對國防圈”，南北
向的加羅林群島至馬里亞納群島即為其中一道島嶼防線，兩群島更北部即是硫磺島，其次便是日本本土了。1944年3月，日軍由小畑英良中將指揮的陸軍第31軍進駐了此防線內。1944年2月美軍收復關島，同年12月20日登陸菲律賓萊特島。其后的萊特灣海戰中美軍基本消滅了日本帝國海軍主力。因此美軍取消原本在1945年2月底3月初登陸呂宋島或臺灣的作戰計劃，改為搶占硫磺島后直接攻擊沖繩及日本本土。
制空制海權基本喪失，距離相對較遠，鞭長莫及，進行支援的代價太大，所以日本向內收縮，在本土或附近區域和美軍血戰的戰略是正確的。朝戰期間，李奇微取代麥克阿瑟指揮聯軍采取類似戰略，讓志愿軍大踏步向縱深走，沿長補給線增加補給難度，結果國內出發的志愿軍能順利到達前線的僅存十之二，三，大部分人因嚴寒、饑餓和轟炸喪失戰斗力。
參戰部隊中相當部分正在支援對呂宋島的登陸作戰，硫磺島戰役只得等呂宋島戰役結束后的1944年3月才能開始，又因為呂宋島戰役進展緩慢，結束的日期從計劃的1944年2月20日推遲到了1944年3月9日，尼米茲再將硫磺島的作戰推遲到1944年3月中旬。1944年10月初，美國太平洋艦隊司令部的參謀人員就將進攻硫磺島的計劃制定出來，參加作戰的地面部隊為第5兩棲軍，下轄海軍陸戰隊第3、4、5師，共約6萬人，由霍蘭·史密斯中將指揮；登陸編隊和支援編隊，由凱利特納中將指揮；米切爾中將指揮的第58特混編隊負責海空掩護；所有參戰登陸艦艇約500艘，軍艦約400艘，飛機約2000架，由第五艦隊司令斯普魯恩斯上將統一指揮。
在1944年前，日軍僅僅把硫磺島作為太平洋中部與南部的航空中繼基地，只部署了海軍守備部隊1500余人和飛機20架。1944年馬里亞納群島失守后，硫磺島的重要性日趨明顯，日軍才開始大力加強其防御力量，1944年3月下旬將4000余陸軍部隊送上島；5月將硫磺島的陸軍部隊整編為第109師團，由栗林忠道中將任師團長，并在島上配備了120、155毫米岸炮、100毫米高射炮和雙聯裝25毫米高射炮；7月日軍把海軍第27航空戰隊調至島上，將所有非戰斗人員撤出了硫磺島，修建了地下工事，將主要火力集中到山腳，射程覆蓋到灘頭。從父島調來5,000人、從塞班撤回2,700人都集中到硫磺島，到8月，已經達到12,700人。后來又來了1,233名海軍工兵修建工事。8月10日，2,216名海軍到達。
同時日軍向硫磺島調送武器，雖然許多運送船只被美軍擊沉，但到了1944年末，日軍仍然成功運送了許多武器到硫磺島上，包括361門75毫米（或更大）口徑的火炮，12門320毫米口徑的迫擊炮，65門150毫米中型迫擊炮和81毫米口徑的輕型迫擊炮，33門80毫米口徑的海軍炮（naval guns），94門75毫米（或更大）口徑的高射炮，69門37毫米和47毫米口徑的反坦克炮，200挺20到25毫米口徑的高射機槍，70門火箭炮，帶著從90公斤射程為2-3公里到250公斤射程為7公里以上的***。
駐扎在朝鮮釜山的第26戰車聯隊28輛坦克和600士兵向硫磺島進發，雖然中途受到美國潛艇USS Cobia（SS-245）的**襲擊，仍然有22輛坦克到達，安置到戰略要點，半埋在土中，以防止空襲。
雖然受到美國艦艇的攔截，日軍仍然源源不斷地向島上運送
日軍在島上陸軍約1.5萬余人，海軍約7000余人，共約2.3萬人，飛機30余架，食品儲備足夠堅持兩個半月，由栗林統一指
揮。日軍在島上的中部高地和元山地區各建有一個機場，分別叫做千島機場和元山機場，也叫一號機場和二號機場，并在二號機場以北建造第三個機場。由于美軍迅速攻占了馬里亞納群島，原計劃運往馬里亞納群島的人員、裝備和物資都被就近轉用于硫磺島，盡管美軍組織飛機、潛艇全力出擊，企圖切斷硫磺島的增援和補給，但日軍以父島為中轉站，采取小艇駁運的方式，因此美軍的封鎖效果并不理想。
由于日軍的海空軍主力在菲律賓戰役中遭到了毀滅性的打擊，已無力為硫磺島提供海空支援，硫磺島的抗登陸作戰是要在幾乎沒有海空支援的情況下進行。栗林是出色的職業軍人，曾擔任過天皇警衛部隊的指揮官，他意識到面對美軍絕對海空優勢，灘頭作戰難以奏效，主張憑借折缽山和元山山地的有利地形，依托堅固的工事，實施縱深防御。當地的火山灰和水泥混合可以成為非常良好的混凝土，日軍用此建成許多非常堅固的地下工事，為了防止人員被圍困，每個工事都有許多出口，四通八達，通風良好，大的暗堡甚至可以容下300到400人。日軍還準備建成27,000米的地下通道，連接所有的地下工事，美軍登陸時已經完成了18,000米。但海軍守備部隊仍堅持殲敵于灘頭，最后栗林做出了折衷的方案，以縱深防御為主，灘頭防御為輔，海軍守備部隊沿海灘構筑永
備發射點和堅固支撐點，進行前沿防御；陸軍主力則集中在折缽山和元山地區，實施縱深防御。
栗林忠道決心將硫磺島建成堅固的要塞，以折缽山為核心陣地，以兩個機場為主要防御地帶，在適宜登陸的東西海灘則是以永備發射點和堅固支撐點為骨干的防御陣地，日軍的防御工事多以地下坑道陣地為主，混凝土工事與天然巖洞有機結合，并有交通壕相互連接。炮兵陣地也大都建成半地下式，盡管犧牲了射界，卻大大提高了在猛烈轟擊下生存的能力。火炮和通訊網絡都受到良好保護，折缽山幾乎被掏空，筑有的坑道工事達九層之多！針對美軍的作戰特點，栗林在海灘前沿地帶埋設了大量**，機槍、迫擊炮、反坦克炮構成綿密火力網，所有武器的配置與射擊目標都進行過精確計算，既能隱蔽自己，又能最大限度殺傷美軍。不足的是，原計劃元山地區將修筑的坑道工事有28公里長，由于時間不夠，當美軍發動進攻時只完成了70%，約18公里，而且折缽山與元山之間也沒有坑道連接。
栗林一改日軍在戰爭初期的死拼戰術，借鑒塞班島日軍反登陸戰3天內損失3萬人的戰例后主張對美軍搶灘采取不抵抗戰術。直到美軍先頭部隊進入陸地500米再發起反擊，利用隱蔽工事近距離地大量殺傷美軍有生力量。規定了近距射擊、分兵機動防御、誘伏等戰術，還嚴禁自殺沖鋒，號召每一個士兵至少要殺死十個美軍。栗林的這些苦心經營，確實給美軍造成了巨大的困難，使硫磺島之戰成為太平洋上最殘酷、艱巨的兩棲登陸戰役
從1944年8月10日起，駐扎在塞班島的美軍航空兵就開始對小笠原群島進行空襲，重點是硫磺島的機場和為硫磺島進行物資補給的中轉地父島的港口設施。從8月至10月，共進行過48次轟炸，投彈約4000噸，但收效甚微。
1944年11月24日，塞班島的美軍首次出動B-29超級空中堡壘轟炸機對日本本土實施轟炸，引起了日軍極大的恐懼，并隨即作出反應，三天后即1944年11月27日，硫磺島上的日軍出動了2架飛機空襲塞班島美軍B-29航空基地，擊毀B-29一架，擊傷十一架。
隨后的日子里，硫磺島上的日軍又多次組織對塞班島美軍航空基地的空襲。
仗打到這個地步，喪失制空權的日本海軍在美軍艦載機面前就是道菜，即使大和號這艘世界第一的戰列艦在離了日本陸基空軍掩護下，在美國航母艦載機面前也就是幾枚**幾十顆航彈就送入大洋底的較豐盛點的菜而已。
3 月 26 日美軍徹底擊敗日軍，栗林忠道負傷后剖腹自殺。硫磺島戰役至此結束，以美軍傷亡兩萬余人最后勝利拉下序幕。 硫磺島戰役是太平洋戰場上唯一一次美軍傷亡超過于日本的戰役，也是最殘酷的戰役之一。雖然美軍勝利，但是美軍為了攻占這一個彈丸小島付出極大的傷亡，由于日軍采取新戰術，充分利用地形的優勢，使得美軍每向前推進一步都要付出慘重傷亡。