二戰期間，硫磺島戰役可以說是太平洋戰場上最慘的戰爭，美日雙方均損失慘重，被稱為“太平洋的絞肉機”。
1945年2月23日，美軍陸戰4師以2號機場為目標發起總攻，但在日軍永備發射點、坑道、地堡和巖洞工事組成的防線前，推進極為緩慢。全天，只有右翼前進了約300米，左翼和中間幾乎毫無進展。但這一天也有一個進展。
10時20分，陸戰5師28團由哈羅得·希勒中尉率領的40人組成的小分隊，終於攻上了折缽山山頂，升起了一面美國國旗。儘管折缽山上，仍有近千日軍憑藉著坑道和巖洞工事在拼死抵抗。四小時後，希勒計程車兵又插起了一面更大的星條旗，美聯社記者喬·羅森塔爾將插旗時的情景拍攝下來，這張照片隨即廣為流傳，成為勝利的象徵。
升起國旗，並不代表著結束戰鬥了。以後，海軍陸戰隊至少還進行了一個多月的戰鬥，與日軍一寸一寸土地的爭奪，差不多4個星期後才基本完成硫磺島日本守軍的清剿工作。
2月24日，戰鬥很激烈，陸戰3師21團在海空火力的大力支援下，由坦克開道，終於突破了日軍在2號機場南側的防線，推進730米，拔除了日軍近800個碉堡，日軍隨即發動了一次逆襲，21團猝不及防，一度被迫後退，隨後在艦炮支援下拼死反擊，才將陣地鞏固。
很快美軍就發現，隨著逐漸升高的地形，日軍構築了密如蟻穴的地堡和縱橫交錯的坑道網，憑藉著這些工事抵抗是越來越頑強。至當天，美軍傷亡總數已達6000人，其中陣亡1600人，面對如此慘重的傷亡，美軍將作為預備隊的陸戰3師師部和陸戰第九團、野戰炮兵第12團送上島，投入戰鬥。
2月25日，三個陸戰師在硫磺島並肩開始攻擊，四師在右，三師居中，五師在左，並列向東北推進。日軍曾多次發起反擊，雖一度奪回失地，但因處於明顯劣勢，最後仍不得不後撤。3月1日，美軍佔領第二號機場。
至3月9日，美軍又相繼攻佔了硫磺島北部日軍正在修建中的第三號機場和兩個高地，將日軍控制在島的北端和東北端的狹小地帶內。又經過1周的苦戰，3月17日，殘餘的日軍800餘人被美軍牢牢圍困。3月25日夜，日軍守島司令慄林率殘部企圖突圍，但大部被美軍殲滅。3月26日，美軍宣佈戰役結束，但清剿殘餘日軍的行動一直持續到4月底才結束。
硫磺島戰役，美軍全殲島上2.2萬人的日軍，但美軍也付出傷亡2.8萬人的沉重代價。這是美軍在太平洋戰爭中最大的一次傷亡，也是唯一一次傷亡總數超過日軍的登陸戰役。戰役使得陸戰3師的戰鬥部隊傷亡60%，而陸戰4師、5師戰鬥部隊的傷亡更是高達75%，美軍陸戰部隊幾乎失去了戰鬥力。
但美軍的巨大代價很快就得到回報，當美軍登陸後，工兵部隊就上島搶修擴建機場，至4月20日，上島的工兵部隊已有7600人，將一號機場跑道擴建為3000米，二號機場的跑道擴建為2100米，不僅進駐了戰鬥機部隊，還成為美軍B—29轟炸機的應急備降機場。美軍戰鬥機部隊進駐硫磺島後，其作戰半徑就覆蓋了日本本土，能有效掩護轟炸機對日本本土的戰略轟炸，大大加速了日本的崩潰。
硫磺島上應急備降場至戰爭結束，累計共有2.4萬架次受傷或耗盡燃料的B—29轟炸機在此緊急降落，從而挽救了這些飛機上2.7萬名空勤人員。硫磺島，不僅使美軍獲得了轟炸日本本土的重要基地，還打開了直接攻擊日本本土的通道。