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自1944年8月對此島開始的空中目標襲擊並未取得明顯成效，日軍的防禦設施有增無減，已由原來的450處，發展到700多處。島上原有2個機場，現已擴增為3個。顯然，日軍把防禦工事築到火山熔岩中去了，工事上覆蓋的黑色火山灰層減弱了炸彈和炮彈的破壞力。
無論未來的戰鬥將如何艱巨，攻佔該島的意義已經十分明確，問題在於進攻將怎樣實施。斯普魯恩斯決定用第58特混艦隊的飛機摧垮東京地區的航空基地網，以保護硫黃島外的美國艦隻不受日機空襲。這是自1942年4月社利特爾的&ot;東京上空10分鐘&ot;行動以來，第一次用航空母艦襲擊日本。斯普魯恩斯計劃用兩天多的時間來完成這次襲擊。快速航空母艦可在烏裡錫完成補給，2月16日駛到日本外海。
尼米茲同斯普魯恩斯商討之後飛抵塞班島，視察進攻硫黃島的部隊進行最後一次登陸演練。陸戰隊有3個師執行這次作戰任務：第4師、第5師擔負進攻，第3師為後備師。巡視結束後，尼米茲飛返關島。
2月16日黎明，尼米茲焦急地期待著轟擊硫黃島和空襲東京的訊息。上午7時，尼米茲從東京廣播電臺獲悉：美軍襲擊了東京機場。幾乎在同一時間，尼米茲得到報告，海軍已開始對硫黃島發起炮擊，b－29型轟炸機正飛往北面，向硫黃島作日常空襲。尼米茲在一張紙上寫下了第259號戰報：
米切爾中將率太平洋艦隊的一支強大特混艦隊，正在襲擊東京及樂京周圍敵人的飛機、空軍基地和其他軍事目標。
這是經過長期籌劃和太平洋全體官兵一心嚮往的一次戰鬥行動。
太平洋艦隊海上部隊正在轟擊硫黃島。太平洋海區的戰略轟炸機正在轟炸硫黃島和小笠原群島上的敵軍陣地。艦隊部隊在第5艦隊司令斯普魯恩斯將軍指揮下作戰。
《紐約時報》用如下通欄標題報導了這次軍事行動&ot;美國艦隊1200架飛機襲擊東京，艦艇的大炮與飛機同時轟擊硫黃島。&ot;
《時代》週刊指出：&ot;在日本近海集結了美國最強大的海上力量，開始以航空母艦襲擊日本本島，距離之近，足以使惡婦式、俯衝轟炸式和海盜式飛機對東京街道進行掃射，實施懲罰性襲擊。這是太平洋戰爭以來最果敢的作戰行動。&ot;
2月19日，斯普魯恩斯向尼米茲報告了兩天來襲擊東京的戰果：空中擊落敵機332架，地面擊毀177架，摧毀許多機場和航空站的機庫、機棚和設施。
同一天上午11時，美軍開始發起進攻硫黃島的戰鬥。大病初癒的特納中將親自指揮兩棲作戰編隊的火力支援。艦炮火力透過壓制性的急促射擊，使日本守軍鑽入地下。第58特混艦隊的百餘架艦載機在硫黃島上空呼嘯盤旋，火箭彈、普通炸彈和燃燒彈同時使用，並用機槍頻頻進行掃射。接著，艦隊又開始艦炮射擊，島上硝煙滾滾，遮天蓋地。
美軍認為，如此猛烈的炮火支援，加上佔絕對優勢的兵力實施突擊，第一波進攻完成預定計劃應無問題。特納甚至認為，美軍在4天內即可佔領該島。然而，美軍遇到了出乎意料的強大阻力。在水際灘頭，兩棲坦克陷入鬆軟的土層中無法前進；後續登陸艇不能搶灘上岸，處於坐底傾斜狀態，艇內甚至灌進了海水。當美軍的壓制炮火射擊一結束，日軍的機槍、迫擊炮和大口徑炮即開始還擊，致使美軍陸戰隊員遭受重大傷亡。第一天上陸的3萬人中，到天黑時已有2400人陣亡。
2月20日，進攻中部地區的海軍陸戰隊佔領了1號機場，右翼部隊開始進入東北部的丘陵地區，左翼戰鬥隊開始突擊西南端蘇裡巴支死火山的山坡。登陸部隊利用手榴彈、火焰噴射器消滅隱蔽在山洞和巖穴中的敵人。用了將近3天的時間，才攻下這個山頭。
