第三舰队回到尤里蒂之后，中太平洋和西南太平洋部队的进军路线又分开为两路，麦克阿瑟计划南进，攻打菲律宾群岛的其余部分和荷属东印度；借给第七舰队的大多数舰艇又重新归尼米兹指挥。
新近提升为海军五星上将的尼米兹把前进指挥部从珍珠港迁到关岛，根据参谋长联席会议的指示，准备占领硫磺岛和琉球群岛中的冲绳。他统率的中太平洋部队重新恢复美国第五舰队的番号，仍由斯普鲁恩斯海军上将直接指挥。第五舰队的主力－－快速航空母舰突击队也恢复原来的番号为第五十八突击队，还归马克·米彻尔海军中将指挥。此外，第五舰队还统辖两支两栖作战部队以及太平洋海军陆战队。
1945年2月16日，美国第五舰队兵分两路：斯普鲁恩斯和米彻尔亲自指挥第五十八快速航空舰突击队，开赴东京附近，派出飞机，对日本本土进行空袭。由于天气不佳，两天的轰炸收效不大，但却把日本人的注意力从硫磺岛吸引开了。第五舰队的另一支支援部队(6艘战列舰和5艘巡洋舰和若干护卫航空母舰等)，也在2月16日这一天开始轰击硫磺岛。
硫磺岛是小笠原群岛的中心岛屿，东西长约8公里，南北宽约4公里，经常喷出硫磺气，地热很高，洞穴里的温度高达48℃。硫磺岛的地形很利于防守：东北部是熔岩高地，南端有座海拔550英尺的死火山－－摺钵山。日军把炮位集中在该岛两边的制高点上，居高临下，控制着四面的海滩。此外，日军还在高地上修筑了四百多个地堡和火力点，有坑道贯通其间。硫磺岛地处东京和塞班岛之间，距两地各为1200公里。岛上有飞机场两个(这时正在修建第三个)，是日本与马里亚纳群岛空中联系的唯一中继基地。盟军一旦占有硫磺岛，陆基飞机即可直接袭击日本本土。由于战略地位重要，日军竟派出23000人(其中海军部队7500 人)防守该岛。栗林中将利用长期构筑的纵深坑道工事，准备作持久战。
美国舰队把事先侦察清楚的目标都在地图上标明了，每摧毁一个就划去一个，新发现的目标就加到控制图上。美军开始炮击之后，日军马上还火，但重型海岸炮却保持沉默，以免暴露目标。17日上午10时左右，当12艘步兵登陆炮艇掩护水下破坏小组进抵东海岸时，日军以为登陆开始了，这时重型海岸炮开始射击，打坏了9艘炮艇，打伤了3艘。于是美国战列舰便对准新的目标猛烈射击。舰基飞机在确定敌军炮位和投掷凝固汽油弹烧毁障碍物方面起了重要的作用。
第五十八突击队在空袭东京之后，也加入了对硫磺岛的炮击。同时，地面攻击部队也来到了。2月19日，盟军开始登陆。特纳海军中将亲自指挥两栖支援部队。炮舰由慢射改为速射，以便把日军赶入地下。第五十八突击队派出一百多架飞机在岛上盘旋，发射火箭和进行机枪扫射，投掷普通炸弹和凝固汽油弹。一时间，尘土飞扬，烟云蔽日。约近五百艘登陆艇把海军陆战队第四和第五师的八个营的战士运到海滨。上午8时30分，第一批登陆部队乘坐68辆两栖装甲车，驶向海滩。海军立即给予相应的炮火支援，同时，五十多艘步兵登陆炮艇也向前提供近距离的支援。但因海岸陡峭，美军战士逐级攀登，伤亡很大。2月19日这一天，有三万名陆战队员上了岸，但伤亡2400多人。后来，陆战队第三师也上岸参战。
美军分左、中、右三路进军。2月20日，中路陆战队员事下了第一号机场；右路战士向东北高地推进；左路开始进攻摺钵山。2月23日早晨，美军包围了这座火山，巡逻队冲上山顶，升起一幅美国国旗。到中午，他们又升起一幅更大的美国国旗，并由摄影记者乔·罗森塔尔拍下了照片。
在硫磺岛战役中，海军的支援舰艇发射炮弹近30万发，约14000吨。舰基空军的支援也有显著的效果。虽然如此，岛上许多防御坚强的据点，还是由步兵在坦克的近距离支持下，一个一个地摧毁的。
美军本来计划五天拿下硫磺岛，但结果整整打了一个月的硬仗。3月26日，美军宣布占领硫磺岛，但在这前一天，即25日，隐藏的日军还跑出洞穴进行最后一次进攻。结果，除200人被俘外，岛上日军全被击毙。这次战役中，进攻部队的伤亡超过了守军：美国陆海军将士负伤19000人，阵亡约7000人。此外，巨型航空母舰萨拉托加号受重伤，护卫航空母舰俾士麦海号被击沉。
