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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。
2月15日，美海军部长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。
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。
1945年2月17日，美军水下爆破队在12艘登陆炮艇的掩护下探测海滩礁脉的航道，并清除水下的和障碍物，折钵山岸防炮阵地(海军指挥)以为美军登陆在即，下令大口径火炮开火，将12艘登陆炮艇击沉9艘，击伤3艘，艇员阵亡、失踪44人，伤152人。
美军大为震惊，岛上的日军竟然还有如此猛烈的火力，立即对这些刚暴露出的目标进行轰击。从16日至18日三天里，美军除了舰炮火力外，护航航母的舰载机也全力出击，有的进行空中掩护;有的进行反潜警戒;有的观测校正弹着;有的向日军阵地投掷，烧掉日军阵地的伪装，使之暴露出来，以便于舰炮将其消灭。
而塞班岛的轰炸机也频频前来助战，对硫磺岛进行轰炸。这三天中，硫磺岛几乎完全被美军火力轰击的硝烟所淹没，日军只得龟缩在坑道里无法活动。据统计，美军在登陆前共消耗炮弹、24000余吨，硫磺岛上平均每平方公里承受了1200吨，但日军凭借坚固的地下工事，损失轻微。
2月19日凌晨02:00时，100架轰炸机先进行轰炸。06:00时，特纳率领的登陆编队到达硫磺岛海域，斯普鲁恩斯和米切尔指挥的航母编队也到达硫磺岛西北海域，此时，硫磺岛出现了少有的晴朗天气，天高云薄，微风轻拂。06:40分，美军舰炮支援编队的7艘战列舰、4艘重巡洋舰和13艘驱逐舰开始直接火力准备，航母编队一边担负空中掩护，一边出动舰载机参加对硫磺岛的航空火力准备。
这次火力准备，时间虽短，但因为天气晴朗，目标清晰可见，效果比较理想。登陆部队海军陆战队三个师，以陆战第4、第5师为一梯队，陆战3师为预备队，在直接火力准备的同时，第一批登陆部队八个营完成了换乘。
登陆滩头在硫磺岛的东海滩，从折钵山山脚下沿海岸向东北延伸，总长3150米，从南到北依次每450米划分为一个登陆滩头，代号分别是绿一、红一、红二、黄一、黄二、蓝一、蓝二。陆战5师在南端的三个滩头登陆，穿越岛的最狭窄部，孤立或攻占岛南的折钵山，陆战4师则在北面的四个滩头登陆，攻击一号机场。
08:25分至08:59分舰炮持续炮击。此时登陆艇在海面转圈航行让守军无法知道登陆的确切时间。
08:30分，第一波68辆履带登陆车离开出发点，向滩头冲击。
08:59分，舰炮火力开始延伸射击。
9点整，由第4，5海军陆战师组成的第一波3万人开始登陆，一开始非常顺利，日军按照预先的部署使美军遭遇抵抗十分微弱，只有迫击炮和轻武器的零星射击，美军遇到的最大阻碍是岸滩上的火山灰，由于岸滩全是火山灰堆积而成，土质松软异常，履带登陆车全部陷在火山灰中，难以前进，后面的登陆艇一波接一波驶上岸，却被这些无法动弹的履带登陆车阻挡，根本无法抢滩登陆，艇上的登陆兵只好涉水上岸。
见日军只有零星的轻武器射击，特纳甚至认为照此发展，只需五天就可占领全岛。
但好景不长，日军等美军炮火开始延伸，栗林就下令从坑道进入阵地。9:30分，美军的坦克上岸，随即引导并掩护登陆部队攻击前进。
10:00整，日军突然发动反击，登陆的美军才推进了二百余米，根据事先早已测算好的数据，日军炮火准确覆盖了登陆滩头，一时间，美军被完全压制在滩头，伤亡惨重，前进受阻。
陆战4师的第24，25团死伤25，第一波上陆的56辆坦克半数损失，本该发挥巨大作用的坦克，大都陷入火山灰，动弹不得，少数几辆也行动蹒跚，很快就成为了日军反坦克炮的目标，被一一击毁。
美军只能依靠士兵用包和，一步一步向前推进，而每一步都要付出惨重的代价。陆战5师因为比陆战4师晚了大约20分钟遭到炮击，而且炮火相对比陆战4师遭受的要弱，所以先头的28团1营得以利用这一机会，穿越岛的最狭窄部，切断了折钵山与其他地区日军的联系，2营则随后向折钵山发起了攻击。
陆战4师在日军猛烈炮火阻击下，几乎寸步难行。就在这样的危急时刻，美军的舰炮火力给了登陆部队以极其有力的支援，此次登陆，美军登陆部队每个营都配有舰炮火力控制组，能够及时召唤舰炮火力的支援，而空中的校射飞机也发挥了巨大作用，准确测定日军炮火位置引导舰炮将其消灭，可以说，在太平洋战争历次登陆战中，舰炮火力支援从没有像硫磺岛登陆战那样有效，在舰炮火力的大力支援下，美军登陆部队艰难向前推进，全天美军共消耗127毫米以上口径舰炮炮弹38550发，火力支援之强，史无前例。