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。日军在元山的正面由千田少将率领混成第2旅团防守，在对岛上第二制高点382高地的争夺中，陆战4师屡屡陷入日本鬼子的交叉火网，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，许多部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鬼子的阵地，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1945年3月2日，24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5师，攻击362高地的遭遇与4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，美军死伤枕籍，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，美军一次又一次的攻势都落空了。美军饱尝失利的滋味，终于痛定思痛，改变战术，1945年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，1945年3月3日，就有一架C-47运输机在硫磺岛的一号机场降落。次日一架在轰炸东京后受伤的B-29在硫磺岛紧急降落，3月6日第一架P-51战斗机在硫磺岛降落。硫磺岛的战略价值已经开始得到了体现。
1945年3月7日，美军发动总攻，担负中央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4师、5师留下不少“钉子”，但3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，将日军分割为北、东两部分并切断了联系。陆战3师21团1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。
1945年3月9日美军占领了尚未完工的三号机场。栗林中将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，给予反击的日军重大杀伤，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。
1945年3月10日，陆战3师将日军防线截为两段后，随即开始向两面扩张战果，9团向东，21团向西，分别策应陆战4师、5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5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。3师、4师的伤亡也很严重，出于这种情况，陆战4师师长克利夫顿．凯兹少将向粟林忠道中将和硫磺岛日军中战斗力最强的第145联队队长池田增雄大佐发出劝降信，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，美军将根据《日内瓦公约》保证投降的日军受到人道待遇。但劝降信如同石沉大海，没有回音。
1945年3月16日，东北部的800余日军被歼灭，美军于当日18:00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。
败局已定，同日，栗林中将命令步兵第145联队长池田大佐烧毁军旗，并向东京大本营发出诀别电：“物量的优势ヲモッテスル陆海空ヨリノ攻撃ニ対シ、克ク健闘ヲ続ケタルハ小职自ラ聊カ悦ビトスル所ナリ…然レドモ要地ヲ敌手ニ委ヌル外ナキニ至リシハ小职ノ诚ニ恐惧ニ堪エザル所ニシテ、几重ニモオ诧ビ申シ上グ…”（面对数量和质量占优的陆海空攻击，卑职已尽全力，然现在险要尽落敌手，卑职万分抱歉）。然后销毁密码，准备实施最后的决死反击。
1945年3月17日，日军大本营晋升栗林为大将军衔，以表彰他的英勇作战。同日粟林对残余部队下达总攻击指令：
一、战局已无可挽回。
二、兵团于17日晚上发动总攻击。（实际上17日晚并没有发起总进攻，而是等到了26号清晨。）
三、各单位于本夜午时，向各方面的敌军进攻，战到最后一兵一卒。
四、我将一如往常在诸位前头。
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，然后让他们给栗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。
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。
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