2月14日，威廉.布蘭迪海軍少將率領由6艘戰列艦、12艘護航航母、5艘巡洋艦、16艘驅逐艦組成的火力支援編隊離開塞班島前往硫磺島。
2月15日，美海軍部長福雷斯特爾在尼米茲陪同下到達塞班島，聽取有關硫磺島戰役的彙報，並視察戰役準備。大病初癒的登陸編隊司令特納，人稱"短吻鱷"，彙報原計劃對硫磺島進行十天的炮火準備，因爲軍艦無法攜帶十天炮擊的彈藥，只能進行三天的炮擊，但特納表示對面積僅二十平方公里的小島進行三天的炮擊已經足夠，炮火未能摧毀的防禦將由登陸部隊來完成。
2月16日清晨，布蘭迪的火力支援編隊到達硫磺島海域，開始實施預先火力準備。所有戰列艦、巡洋艦都被劃分了地段，對已查明的目標逐一摧毀。爲確保炮擊的準確，有幾艘戰列艦甚至在距岸邊僅3000米處對目標進行直接瞄準射擊。
但由於天氣不佳，島上又是硝煙瀰漫，預定的750個目標只摧毀了17個，炮擊效果很不理想。日軍只以部分中小口徑火炮進行反擊，擊傷戰列艦、巡洋艦各一艘，大口徑火炮出於隱蔽考慮，一炮未發。
1945年2月17日，美軍水下爆破隊在12艘登陸炮艇的掩護下探測海灘礁脈的航道，並清除水下的**和障礙物，折鉢山岸防炮陣地(海軍指揮)以爲美軍登陸在即，下令大口徑火炮開火，將12艘登陸炮艇擊沉9艘，擊傷3艘，艇員陣亡、失蹤44人，傷152人。
美軍大爲震驚，島上的日軍竟然還有如此猛烈的火力，立即對這些剛暴露出的目標進行轟擊。從16日至18日三天裡，美軍除了艦炮火力外，護航航母的艦載機也全力出擊，有的進行空中掩護;有的進行反潛警戒;有的觀測校正彈着;有的向日軍陣地投擲***，燒掉日軍陣地的僞裝，使之暴露出來，以便於艦炮將其消滅。
而塞班島的轟炸機也頻頻前來助戰，對硫磺島進行轟炸。這三天中，硫磺島幾乎完全被美軍火力轟擊的硝煙所淹沒，日軍只得龜縮在坑道里無法活動。據統計，美軍在登陸前共消耗炮彈、**24000餘噸，硫磺島上平均每平方公里承受了1200噸，但日軍憑藉堅固的地下工事，損失輕微。
2月19日凌晨02:00時，100架轟炸機先進行轟炸。06:00時，特納率領的登陸編隊到達硫磺島海域，斯普魯恩斯和米切爾指揮的航母編隊也到達硫磺島西北海域，此時，硫磺島出現了少有的晴朗天氣，天高雲薄，微風輕拂。06:40分，美軍艦炮支援編隊的7艘戰列艦、4艘重巡洋艦和13艘驅逐艦開始直接火力準備，航母編隊一邊擔負空中掩護，一邊出動艦載機參加對硫磺島的航空火力準備。
這次火力準備，時間雖短，但因爲天氣晴朗，目標清晰可見，效果比較理想。登陸部隊海軍陸戰隊三個師，以陸戰第4、第5師爲一梯隊，陸戰3師爲預備隊，在直接火力準備的同時，第一批登陸部隊八個營完成了換乘。
登陸灘頭在硫磺島的東海灘，從折鉢山山腳下沿海岸向東北延伸，總長3150米，從南到北依次每450米劃分爲一個登陸灘頭，代號分別是綠一、紅一、紅二、黃一、黃二、藍一、藍二。陸戰5師在南端的三個灘頭登陸，穿越島的最狹窄部，孤立或攻佔島南的折鉢山，陸戰4師則在北面的四個灘頭登陸，攻擊一號機場。
08:25分至08:59分艦炮持續炮擊。此時登陸艇在海面轉圈航行讓守軍無法知道登陸的確切時間。
08:30分，第一波68輛履帶登陸車離開出發點，向灘頭衝擊。
08:59分，艦炮火力開始延伸射擊。
9點整，由第4，5海軍陸戰師組成的第一波3萬人開始登陸，一開始非常順利，日軍按照預先的部署使美軍遭遇抵抗十分微弱，只有迫擊炮和輕武器的零星射擊，美軍遇到的最大阻礙是岸灘上的火山灰，由於岸灘全是火山灰堆積而成，土質鬆軟異常，履帶登陸車全部陷在火山灰中，難以前進，後面的登陸艇一波接一波駛上岸，卻被這些無法動彈的履帶登陸車阻擋，根本無法搶灘登陸，艇上的登陸兵只好涉水上岸。
見日軍只有零星的輕武器射擊，特納甚至認爲照此發展，只需五天就可佔領全島。
但好景不長，日軍等美軍炮火開始延伸，慄林就下令從坑道進入陣地。9:30分，美軍的坦克上岸，隨即引導並掩護登陸部隊攻擊前進。
10:00整，日軍突然發動反擊，登陸的美軍才推進了二百餘米，根據事先早已測算好的數據，日軍炮火準確覆蓋了登陸灘頭，一時間，美軍被完全壓制在灘頭，傷亡慘重，前進受阻。
陸戰4師的第24，25團死傷25%，第一波上陸的56輛坦克半數損失，本該發揮巨大作用的坦克，大都陷入火山灰，動彈不得，少數幾輛也行動蹣跚，很快就成爲了日軍反坦克炮的目標，被一一擊毀。
美軍只能依靠士兵用**包和*****，一步一步向前推進，而每一步都要付出慘重的代價。陸戰5師因爲比陸戰4師晚了大約20分鐘遭到炮擊，而且炮火相對比陸戰4師遭受的要弱，所以先頭的28團1營得以利用這一機會，穿越島的最狹窄部，切斷了折鉢山與其他地區日軍的聯繫，2營則隨後向折鉢山發起了攻擊。
陸戰4師在日軍猛烈炮火阻擊下，幾乎寸步難行。就在這樣的危急時刻，美軍的艦炮火力給了登陸部隊以極其有力的支援，此次登陸，美軍登陸部隊每個營都配有艦炮火力控制組，能夠及時召喚艦炮火力的支援，而空中的校射飛機也發揮了巨大作用，準確測定日軍炮火位置引導艦炮將其消滅，可以說，在太平洋戰爭歷次登陸戰中，艦炮火力支援從沒有像硫磺島登陸戰那樣有效，在艦炮火力的大力支援下，美軍登陸部隊艱難向前推進，全天美軍共消耗127毫米以上口徑艦炮炮彈38550發，火力支援之強，史無前例。