第三艦隊回到尤里蒂之後，中太平洋和西南太平洋部隊的進軍路線又分開為兩路，麥克阿瑟計畫南進，攻打菲律賓群島的其餘部分和荷屬東印度；借給第七艦隊的大多數艦艇又重新歸尼米茲指揮。
新近提升為海軍五星上將的尼米茲把前進指揮部從珍珠港遷到關島，根據參謀長聯席會議的指示，準備佔領硫磺島和琉球群島中的沖繩。他統率的中太平洋部隊重新恢復美國第五艦隊的番號，仍由斯普魯恩斯海軍上將直接指揮。第五艦隊的主力－－快速航空母艦突擊隊也恢復原來的番號為第五十八突擊隊，還歸馬克．米徹爾海軍中將指揮。此外，第五艦隊還統轄兩支兩棲作戰部隊以及太平洋海軍陸戰隊。
1945年2月16日，美國第五艦隊兵分兩路：斯普魯恩斯和米徹爾親自指揮第五十八快速航空艦突擊隊，開赴東京附近，派出飛機，對日本本土進行空襲。由於天氣不佳，兩天的轟炸收效不大，但卻把日本人的注意力從硫磺島吸引開了。第五艦隊的另一支支援部隊(6艘戰列艦和5艘巡洋艦和若干護衛航空母艦等)，也在2月16日這一天開始轟擊硫磺島。
硫磺島是小笠原群島的中心島嶼，東西長約8公里，南北寬約4公里，經常噴出硫磺氣，地熱很高，洞穴裡的溫度高達48℃。硫磺島的地形很利於防守：東北部是熔岩高地，南端有座海拔550英尺的死火山－－摺缽山。日軍把炮位集中在該島兩邊的制高點上，居高臨下，控制著四面的海灘。此外，日軍還在高地上修筑了四百多個地堡和火力點，有坑道貫通其間。硫磺島地處東京和塞班島之間，距兩地各為1200公里。島上有飛機場兩個(這時正在修建第三個)，是日本與馬里亞納群島空中聯繫的唯一中繼基地。盟軍一旦佔有硫磺島，陸基飛機即可直接襲擊日本本土。由於戰略地位重要，日軍竟派出23000人(其中海軍部隊7500 人)防守該島。栗林中將利用長期構筑的縱深坑道工事，準備作持久戰。
美國艦隊把事先偵察清楚的目標都在地圖上標明瞭，每摧毀一個就劃去一個，新發現的目標就加到控製圖上。美軍開始炮擊之後，日軍馬上還火，但重型海岸炮卻保持沉默，以免暴露目標。17日上午10時左右，當12艘步兵登陸炮艇掩護水下破壞小組進抵東海岸時，日軍以為登陸開始了，這時重型海岸炮開始射擊，打壞了9艘炮艇，打傷了3艘。於是美國戰列艦便對準新的目標猛烈射擊。艦基飛機在確定敵軍炮位和投擲凝固汽油彈燒燬障礙物方面起了重要的作用。
第五十八突擊隊在空襲東京之後，也加入了對硫磺島的炮擊。同時，地面攻擊部隊也來到了。2月19日，盟軍開始登陸。特納海軍中將親自指揮兩棲支援部隊。炮艦由慢射改為速射，以便把日軍趕入地下。第五十八突擊隊派出一百多架飛機在島上盤旋，發射火箭和進行機槍掃射，投擲普通炸彈和凝固汽油彈。一時間，塵土飛揚，煙雲蔽日。約近五百艘登陸艇把海軍陸戰隊第四和第五師的八個營的戰士運到海濱。上午8時30分，第一批登陸部隊乘坐68輛兩棲裝甲車，駛向海灘。海軍立即給予相應的炮火支援，同時，五十多艘步兵登陸炮艇也向前提供近距離的支援。但因海岸陡峭，美軍戰士逐級攀登，傷亡很大。2月19日這一天，有三萬名陸戰隊員上了岸，但傷亡2400多人。後來，陸戰隊第三師也上岸參戰。
美軍分左、中、右三路進軍。2月20日，中路陸戰隊員事下了第一號機場；右路戰士向東北高地推進；左路開始進攻摺缽山。2月23日早晨，美軍包圍了這座火山，巡邏隊衝上山頂，升起一幅美國國旗。到中午，他們又升起一幅更大的美國國旗，並由攝影記者喬．羅森塔爾拍下了照片。
在硫磺島戰役中，海軍的支援艦艇發射炮彈近30萬發，約14000噸。艦基空軍的支援也有顯著的效果。雖然如此，島上許多防禦堅強的據點，還是由步兵在坦克的近距離支持下，一個一個地摧毀的。
美軍本來計畫五天拿下硫磺島，但結果整整打了一個月的硬仗。3月26日，美軍宣布佔領硫磺島，但在這前一天，即25日，隱藏的日軍還跑出洞穴進行最後一次進攻。結果，除200人被俘外，島上日軍全被擊斃。這次戰役中，進攻部隊的傷亡超過了守軍：美國陸海軍將士負傷19000人，陣亡約7000人。此外，巨型航空母艦薩拉托加號受重傷，護衛航空母艦俾士麥海號被擊沉。
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