將陸戰5師28團留在折缽山，負責肅清山上的日軍，而5師的另兩個團則調到北部，協同4師攻擊元山地區的日軍。同樣在2月23日，美軍的航母編隊在硫磺島以東海域與海上勤務大隊會合，接受海上補給，當晚再次向日本本土進發，以壓制日軍可能對硫磺島的支援。
2月24日，陸戰3師21團在海空火力的支援下，由坦克開道，終於突破了日軍在二號機場南側的防線，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，才鞏固了陣地。美軍很快就發現，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，日軍的抵抗越來越頑強。於是美軍將作為預備隊的陸戰3師師部和陸戰第9團、野戰炮兵第12團送上島，投入戰鬥。
2月25日，3個陸戰師在硫磺島並肩開始攻擊，4師在右，3師居中，5師在左，並列向東北推進。3月1日，美軍經過激烈的鏖戰，終於攻佔了二號機場和元山村。硫磺島上的美軍每前進一步，都要付出巨大的代價，戰鬥已經成為不折不扣的消耗，有時一整天只前進4米，慘重的傷亡甚至使軍官們都沒有勇氣再將士兵投入戰鬥。在對島上第二制高點382高地的爭奪中，陸戰4師屢屢陷入日軍交叉火網，傷亡極其慘重，382高地因此被稱為“絞肉機”，戰鬥部隊的傷亡率高達50％以上，有經驗的連、排長和軍士長傷亡殆盡，許多連隊連長由少尉或上士擔任，而排、班長大都由普通士兵擔任。美軍必須逐一消滅側翼的日軍陣地，解除側翼威脅，才有可能向前推進，所以戰鬥異常殘酷、激烈。直到3月2日，24團才攻上了高地，但所付出的傷亡是巨大的，有好幾個連的官兵非死即傷，幾乎全連覆沒。
左翼的5師，攻擊362高地的遭遇與4師在382高地如出一轍：剛攻上山頭，側翼日軍立即以密集火力封鎖美軍的退路，再以縱深火力和兇猛的反擊將攻上高地的美軍盡數消滅，美軍死傷無數，卻毫無收穫，只得先消滅最突出部的日軍陣地，再步步為營艱難向前推進。日軍早已掌握了美軍的攻擊程式，先是航空火力準備，再是艦炮火力轟擊，接著是地面炮火射擊，最後才是步兵衝擊，所以日軍總在坑道里躲過美軍的炮火，再進入陣地迎擊步兵的進攻，一次又一次粉碎了美軍的攻勢。美軍最後改變戰術，在3月7日拂曉，沒進行任何炮火準備，悄然接近日軍陣地，突然發起衝擊，打了日軍一個措手不及，一舉攻佔了362高地。
3月7日，美軍發動總攻，擔負中央突破的陸戰3師勢如破竹，進展神速，遇到難以克服的日軍陣地就設法繞過去，繼續向前推進，終於突破了日軍的防線，並於兩天後攻到了西海岸，佔據了一段約800米長的海岸，將日軍分割為兩部分。3月9日美軍佔領了尚未完工的三號機場。粟林得知美軍突破了防線並將日軍一分為二時，立即組織部隊進行反擊，他深知美軍火力強，正面進攻難以奏效，所以進行的是夜間滲透反擊。他命令部隊儘可能穿越美軍的防線，滲透到美軍後方重新打通兩翼聯絡。美軍發現了日軍的行動，他們發射的照明彈將黑夜照得如同白晝，許多日軍越過了美軍的前沿防線，有的甚至滲透深入達1；600米，但美軍預備隊和後方勤務人員依託工事頑強抗擊，天亮時，日軍的反擊被徹底粉碎，傷亡至少1；000人。
3月10日，陸戰3師將日軍防線截為兩段後，隨即開始向兩面擴張戰果，9團向東，21團向西，分別策應陸戰4師、5師的攻擊。儘管戰事的發展對日軍的防禦已經相當不利，但日軍仍依託工事死戰不退，尤其是陸戰5師面對的是由粟林直接指揮的部隊，遭到的抵抗更為激烈。陸戰5師的傷亡超過75％，許多戰鬥部隊失去了戰鬥力，師部的文書、司機甚至炊事員等勤雜人員都投入了戰鬥。3師、4師的傷亡也很嚴重。在這種情況下，陸戰4師師長克利夫頓·凱茲少將向粟林和硫磺島日軍中戰鬥力最強的第145聯隊隊長池田大佐發出勸降信，信中他首先向日軍的無畏精神和英勇作戰表示了敬佩，接著說明了日軍目前無法取勝的處境，最後要求他們指揮所屬部隊停止抵抗，美軍將根據《日內瓦公約》保證投降日軍受到人道待遇。但勸降信如同石沉大海，沒有迴音。
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乘勝追擊
3月16日，東北部的800餘名日軍被殲滅，美軍於當日18時宣佈佔領硫磺島，但戰鬥仍在繼續，粟林指揮殘部依然在抵抗，有時戰鬥還相當激烈。3月21日，日本天皇授予粟林大將軍銜，以表彰他的