由于参战部队中相当部分正在支援对吕宋岛的登陆作战,硫磺岛战役只得等吕宋岛战役结束后的1945年1月才能开始,又因为吕宋岛战役进展缓慢,结束的日期从计划的1944年12月20日推迟到了1945年1月9日,尼米兹再将硫磺岛的作战推迟到1945年2月中旬。1944年10月初,美国太平洋舰队司令部的参谋人员就将进攻硫磺岛的计划制定出来,参加作战的地面部队为第5两栖军,下辖海军陆战队第3、4、5师,共约6万人,由霍兰•史密斯中将指挥;登陆编队和支援编队,由里奇蒙德•凯利•特纳中将指挥;马克•米切尔中将指挥的第58特混编队负责海空掩护;所有参战登陆舰艇约500艘,军舰约400艘,飞机约2000架,由第五舰队司令斯普鲁恩斯上将统一指挥。 在1944年前,日军仅仅把硫磺岛作为太平洋中部与南部的航空中继基地,只部署了海军守备部队1500余人和飞机20架。1944年马里亚纳群岛失守后,硫磺岛的重要性日趋明显,日军才开始大力加强其防御力量,1944年3月下旬将4000余陆军部队送上岛;5月将硫磺岛的陆军部队整编为第109师团,由栗林忠道中将任师团长,并在岛上配备了120、155毫米岸炮、100毫米高射炮和双联装25毫米高射炮;7月日军把海军第27航空战队调至岛上,将所有非战斗人员撤出了硫磺岛,修建了地下工事,将主要火力集中到山脚,射程覆盖到滩头。从父岛调来5,000人、从塞班撤回2,700人都集中到硫磺岛,到8月,已经达到12,700人。后来又来了1,233名海军工兵修建工事。8月10日,2,216名海军到达。同时日军向硫磺岛调送武器,虽然许多运送船只被美军击沉,但到了1944年末,日军仍然成功运送了许多武器到硫磺岛上,包括361门75毫米(或更大)口径的火炮,12门320毫米口径的迫击炮,65门150毫米中型迫击炮和81毫米口径的轻型迫击炮,33门80毫米口径的海军炮(naval guns),94门75毫米(或更大)口径的高射炮,69门37毫米和47毫米口径的反坦克炮,200挺20到25毫米口径的高射机枪,70门火箭炮,带着从90公斤射程为2-3公里到250公斤射程为7公里以上的火箭弹。驻扎在朝鲜釜山的第26战车联队28辆坦克和600士兵向硫磺岛进发,虽然中途受到美国潜艇USS Cobia(SS-245)的鱼雷袭击,仍然有22辆坦克到达,安置到战略要点,半埋在土中,以防止空袭。虽然受到美国舰艇的拦截,日军仍然源源不断地向岛上运送,截止1945年2月,日军在岛上陆军约1.5万余人,海军约7000余人,共约2.3万人,飞机30余架,食品储备足够坚持两个半月,由栗林统一指挥。日军在岛上的中部高地和元山地区各建有一个机场,分别叫做千岛机场和元山机场,也叫一号机场和二号机场,并在二号机场以北建造第三个机场。由于美军迅速攻占了马里亚纳群岛,原计划运往马里亚纳群岛的人员、装备和物资都被就近转用于硫磺岛,尽管美军组织飞机、潜艇全力出击,企图切断硫磺岛的增援和补给,但日军以父岛为中转站,采取小艇驳运的方式,因此美军的封锁效果并不理想。由于日军的海空军主力在菲律宾战役中遭到了毁灭性的打击,已无力为硫磺岛提供海空支援,硫磺岛的抗登陆作战是要在几乎没有海空支援的情况下进行。栗林是出色的职业军人,曾担任过天皇警卫部队的指挥官,他意识到面对美军绝对海空优势,滩头作战难以奏效,主张凭借折钵山和元山山地的有利地形,依托坚固的工事,实施纵深防御。当地的火山灰和水泥混合可以成为非常良好的混凝土,日军用此建成许多非常坚固的地下工事,为了防止人员被围困,每个工事都有许多出口,四通八达,通风良好,大的暗堡甚至可以容下300到400人。日军还准备建成27,000米的地下通道,连接所有的地下工事,美军登陆时已经完成了18,000米。但海军守备部队仍坚持歼敌于滩头,最后栗林做出了折中的方案,以纵深防御为主,滩头防御为辅,海军守备部队沿海滩构筑永备发射点和坚固支撑点,进行前沿防御;陆军主力则集中在折钵山和元山地区,实施纵深防御。栗林忠道决心将硫磺岛建成坚固的要塞,以折钵山为核心阵地,以两个机场为主要防御地带,在适宜登陆的东西海滩则是以永备发射点和坚固支撑点为骨干的防御阵地,日军的防御工事多以地下坑道阵地为主,混凝土工事与天然岩洞有机结合,并有交通壕相互连接。炮兵阵地也大都建成半地下式,尽管牺牲了射界,却大大提高了在猛烈轰击下生存的能力。火炮和通讯网络都受到良好保护,折钵山几乎被掏空,筑有的坑道工事达九层之多。针对美军的作战特点,栗林在海滩前沿地带埋设了大量地雷,机枪、迫击炮、反坦克炮构成绵密火力网,所有武器的配置与射击目标都进行过精确计算,既能隐蔽自己,又能最大限度杀伤美军。不足的是,原计划元山地区将修筑的坑道工事有28公里长,由于时间不够,当美军发动进攻时只完成了70%,约18公里,而且折钵山与元山之间也没有坑道连接。栗林一改日军在战争初期的死拼战术,借鉴塞班岛日军反登陆战3天内损失3万人的战例后主张对美军抢滩采取不抵抗战术。直到美军先头部队进入陆地500米再发起反击,利用隐蔽工事近距离地大量杀伤美军有生力量。规定了近距射击、分兵机动防御、诱伏等战术,还严禁自杀冲锋,号召每一个士兵至少要杀死十个美军。栗林的这些苦心经营,确实给美军造成了巨大的困难,使硫磺岛之战成为太平洋上最残酷、艰巨的两栖登陆战役。 从1944年8月10日起,驻扎在塞班岛的美军航空兵就开始对小笠原群岛进行空袭,重点是硫磺岛的机场和为硫磺岛进行物资补给的中转地父岛的港口设施。从8月至10月,共进行过48次轰炸,投弹约4000吨,但收效甚微。1944年11月24日,塞班岛的美军首次出动B-29超级空中堡垒轰炸机对日本本土实施轰炸,引起了日军极大的恐惧,并随即作出反应,三天后即1944年11月27日,硫磺岛上的日军出动了2架飞机空袭塞班岛美军B-29航空基地,击毁B-29一架,击伤十一架。随后的日子里,硫磺岛上的日军又多次组织对塞班岛美军航空基地的空袭,至1945年1月2日,已累计击毁B-29六架,严重威胁着美军B-29航空基地的安全。为压制硫磺岛日军飞机的袭扰,美军于1945年2月8日组织了一次海空协同突击,出动飞机192架次,其中B-29重轰炸机62架次,B-24中型轰炸机102架次、重巡洋舰3艘、驱逐舰7艘,共投掷炸弹814吨,发射203毫米炮弹1500发、127毫米炮弹5334发,这样猛烈的轰击,却并未彻底摧毁硫磺岛机场,仅仅起了短暂的压制作用。自这次海空协同突击后,美军在1945年2月间又组织了四次类似的海空联合突击。1945年2月9日起,由黑尔少将指挥的第七航空队B-24轰炸机只要天气允许,几乎每天出动对硫磺岛进行轰炸,塞班岛的B-29也不时加入对硫磺岛的轰炸,至1945年2月初,美军共出动舰载机1269架次,岸基航空兵1479架次,军舰64艘次,总共投掷炸弹6800余吨,发射大口径舰炮炮弹2万余发,其中406毫米炮弹203发,203毫米炮弹6472发,127毫米炮弹15251发。美军如此猛烈密集的火力轰击,由于日军的防御工事异常坚固,效果十分有限,对岛上两个机场也没能予以彻底摧毁,日军总能在空袭后迅速修复。而且,日军初步领略到了美军的火力,更加倾注全力修筑以坑道为骨干的防御工事。 1945年1月26日,完成了对吕宋岛登陆作战支援任务的第三舰队返回乌利西基地,进行休整。第三舰队司令哈尔西上将将指挥权移交给斯普鲁恩斯,第三舰队随即改称第五舰队,这是美军自1944年秋开始实行的新措施,为太平洋舰队配备了两套司令部指挥参谋人员,在哈尔西指挥下,番号为第三舰队;当由斯普鲁恩斯指挥时则称之为第五舰队,一般一人在前线指挥作战,另一人则在后方筹划酝酿下一次作战,这样既能充分使用兵力,又能迷惑日军。斯普鲁恩斯和尼米兹都认为攻占这样一个弹丸小岛,不会费多大力气,但看了对硫磺岛的空中侦察所拍摄的航空照片后,才知道在这个岛上极可能存在不同寻常的防御系统,史密斯中将仔细研究了航空照片后,表示这将是最难攻占的岛屿,并预计要付出两万人的伤亡。1945年1月28日当负责组织对日军本土战略轰炸的陆军航空兵第二十一航空队司令柯蒂斯•李梅少将前来协商航空兵如何支援硫磺岛登陆作战时,斯普鲁恩斯就向他提出硫磺岛对于战争究竟有多少价值。李梅立即肯定地表示没有硫磺岛就无法有效地对日军本土进行战略轰炸。斯普鲁恩斯这才如释重负,决心不惜付出巨大代价攻取硫磺岛。1945年2月2日,尼米兹来到乌利西环礁,视察硫磺岛作战的准备情况。斯普鲁恩斯提议为阻止日军对硫磺岛可能的增援,必须首先使用舰载航空兵对日寇本土的关东地区机场进行压制,尼米兹同意了这一计划。随后,尼米兹又前往塞班岛观看了将在硫磺岛实施登陆作战的第五两栖军的三个海军陆战队师进行的临战演习。1945年2月10日,斯普鲁恩斯以“印第安纳波利斯”号重巡洋舰为旗舰,第58特混编队司令米切尔以“邦克山”号航母为旗舰,一起率领由12艘航母、8艘战列舰、15艘巡洋舰、77艘驱逐舰组成的航母编队驶离乌利西,经马里亚纳群岛和小笠原群岛以东,直扑日军本土。这是美军自1942年4月杜立特空袭东京以来航母编队第一次袭击日本本土。斯普鲁恩斯计划16日抵达日本外海,以16日、17日两天时间对日本本土关东地区的机场进行压制性的空袭,然后再南下参加硫磺岛作战。他特别担心日军神风敢死队的威胁,所以每艘航母上只30架轰炸机和鱼雷机,其余全部搭载战斗机。为了尽量减少被日军发现的可能,出动多艘潜艇在编队航道前方担任侦察搜索,而塞班岛的岸基航空兵则以B-24和B-29对编队经过的海域上空进行巡逻警戒。编队自身还以多艘驱逐舰在编队前方组成搜索幕,同时以舰载机进行二十四小时不间断反潜警戒。正是由于采取了上述严密的防范措施,加上恶劣天气的掩护,美军航母编队于16日拂晓一直到达距东京东南125海里海域,此地距最近的日本本土海岸仅60海里,仍没被日军发现。1945年2月16日,美军航母编队出动舰载机1000余架次,分成数个攻击波对东京湾各机场进行攻击,由于天空中阴云低垂,攻击效果并不理想。1945年2月17日,美军又出动两个攻击波舰载机500余架次,对关东地区的机场、飞机制造厂、锚泊船舶等目标进行了轰炸。两天里,美军在空战中击落日机332架,在地面上击毁日机177架,给一些机场、飞机制造厂造成了一定破坏,这次空袭的效果不是很大,但却极大吸引了日军注意力。当天下午,美军航母编队离开日本外海南下,参加硫磺岛作战。 1945年2月14日,威廉•布兰迪海军少将率领由6艘战列舰、12艘护航航母、5艘巡洋舰、16艘驱逐舰组成的火力支援编队离开塞班岛前往硫磺岛。1945年2月15日,美海军部长詹姆斯•福雷斯特尔在尼米兹陪同下到达塞班岛,听取有关硫磺岛战役的汇报,并视察战役准备。大病初愈的登陆编队司令特纳,人称“短吻鳄”,汇报原计划对硫磺岛进行十天的炮火准备,因为军舰无法携带十天炮击的弹药,只能进行三天的炮击,但特纳表示对面积仅二十平方公里的小岛进行三天的炮击已经足够,炮火未能摧毁的防御将由登陆部队来完成。1945年2月16日清晨,布兰迪的火力支援编队到达硫磺岛海域,开始实施预先火力准备。所有战列舰、巡洋舰都被划分了地段,对已查明的目标逐一摧毁。为确保炮击的准确,有几艘战列舰甚至在距岸边仅3000米处对目标进行直接瞄准射击。但由于天气不佳,岛上又是硝烟弥漫,预定的750个目标只摧毁了17个,炮击效果很不理想。日军只以部分中小口径火炮进行反击,击伤战列舰、巡洋舰各一艘,大口径火炮出于隐蔽考虑,一炮未发。