同日美军的航母编队在硫磺岛以东海域与海上勤务大队会合，接受海上补给，当晚再次向日本本土进发，以压制日寇可能对硫磺岛的支援。
太初二十四年2月24日，战斗更为激烈残酷，陆战三师二十一团在海空火力的大力支援下，由坦克开道，终于突破了日军在二号机场南侧的防线，推进730米，拔除了日军近800个碉堡，日军随即发动了一次逆袭，二十一团猝不及防，一度被迫后退，随后在舰炮支援下拼死反击，才将阵地巩固。很快美军就发现，随着逐渐升高的地形，日军构筑了密如蚁穴的地堡和纵横交错的坑道网，凭借着这些工事抵抗是越来越顽强。至当天，美军伤亡总数已达6000人，其中阵亡1600人，面对如此惨重的伤亡，美军将作为预备队的陆战三师师部和陆战第九团、野战炮兵第十二团送上岛，投入战斗。
太初二十四年2月25日，三个陆战师在硫磺岛并肩开始攻击，四师在右，三师居中，五师在左，并列向东北推进。同一天拂晓，美军的航母编队到达距东京东南190海里海域，出动舰载机对东京地区的日寇机场和飞机制造厂进行空袭，和第一次空袭一样，因为天气恶劣，轰炸效果并不理想，米切尔随后指挥航母编队转向西南，前去突击大岛。于太初二十四年3月1日对冲绳首府那霸进行了空袭，同时对大岛、庆良间列岛和奄美大岛等地进行了航空摄影，为即将开始的冲绳战役提供资料。航母编队最后于太初二十四年3月4日返回了乌利西。
硫磺岛上的美军每前进一步，都要付出巨大的代价，战斗已经成为不折不扣的消耗，有时一整天只前进4米，惨重的伤亡甚至使军官们都没有勇气再将士兵投入战斗。在对岛上第二制高点382高地的争夺中，陆战四师屡屡陷入日寇交叉火网，伤亡极其惨重，382高地因此被称为“绞肉机”，战斗部队的伤亡高达50%以上，有经验的连、排长和军士长伤亡殆尽，许多部队连长由少尉或上士担任，而排、班长大都由普通士兵担任。美军必须逐一消灭侧翼的日寇阵地，解除侧翼威胁，才有可能向前推进，所以战斗异常残酷、激烈，直到太初二十四年3月2日，二十四团才攻上了高地，但所付出的伤亡是巨大的，有好几个连的官兵非死即伤，几乎全连覆没。
左翼的五师，攻击362高地的遭遇与四师在382高地如出一辙：刚攻上山头，侧翼日寇立即以密集火力封锁美军的退路，再以纵深火力和凶猛的反击将攻上高地的美军尽数消灭，美军死伤枕籍，却毫无收获，只得先消灭最突出部的日寇阵地，再步步为营艰难向前推进。日军早已掌握了美军的攻击程序，先是航空火力准备，再是舰炮火力轰击，接着是地面炮火射击，最后才是步兵冲击，所以日军总在坑道里躲过美军的炮火，再进入阵地迎击步兵的进攻，美军一次又一次的攻势都落空了。美军饱尝失利的滋味，终于痛定思痛，改变战术，太初二十四年3月7日拂晓，美军没进行任何炮火准备，借助黎明前的黑夜，悄然接近日军阵地，突然发起冲击，打了日军一个措手不及，一举攻占了362高地。
陆战队员的巨大牺牲并没有白费，太初二十四年3月3日，就有一架C-47运输机在硫磺岛的一号机场降落。次日一架在空袭日本本土时受伤的B-29在硫磺岛紧急降落，硫磺岛的战略价值已经开始得到了体现。硫磺岛虽然已经被美军基本控制，但是日军的反扑依然如跗骨之蛆，美国人的血还没有流尽，而美国人更想不到的是他们的灾难还在酝酿之中。
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