在日本偷袭珍珠港时，日军在关岛有一个将近3800人的军事基地和一个1400人的海军基地。驻有水上飞机、电台、气象站，猎潜舰、布雷舰等舰艇。在硫磺岛有一个飞机场，有20架战斗机和1500名海军驻扎在这里。二十三年二月，当美军占领马绍尔群岛后，日军加强了硫磺岛的军事力量，在硫磺岛上的军事力量达到5000人，13门火炮，200挺轻重机枪，4552支步枪，12架高射炮，30挺25毫米口径2联装高射机枪，此外还有120毫米口径的火炮。硫磺岛和小笠原诸岛成为防止美军空袭日本本土的最后一道防线。因为当时日本已经丧失了制海和制空权。
太初二十四年四月，硫磺岛上还驻有80架战斗机，但到了七月仅剩下4架，美国海军到了硫磺岛目视范围内，一次全面的轰炸，炸毁了硫磺岛上所有的建筑物和仅存的4架飞机。但美军尚没有对丧失了海空支持的硫磺岛展开攻击，而日本则只余下地面部队能使用。
十月初，美国太平洋舰队司令部的参谋人员就将进攻硫磺岛的计划制定出来，参加作战的地面部队为第5两栖军，下辖海军陆战队第3、4、5师，共约6万人，由霍兰史密斯中将指挥；登陆编队和支援编队，由凯利特纳中将指挥；米切尔中将指挥的第58特混编队负责海空掩护；所有参战登陆舰艇约500艘，军舰约400艘，飞机约2000架，由第五舰队司令斯普鲁恩斯上将统一指挥。
由于参战部队中相当部分正在支援对米开朗岛的登陆作战，硫磺岛战役只得等米开朗岛战役结束后的太初二十五年一月才能开始，又因为米开朗岛战役进展缓慢，结束的日期从计划的太初二十三年12月20日推迟到了二十四年1月9日，尼米兹再将硫磺岛的作战推迟到二十四年2月中旬。
在二十三年前，日军仅仅把硫磺岛作为太平洋中部与南部的航空中继基地，只部署了海军守备部队1500余人和飞机20架。太初二十三年马里亚纳群岛失守后，硫磺岛的重要性日趋明显，日军才开始大力加强其防御力量，太初二十三年3月下旬将4000余陆军部队送上岛；5月将硫磺岛的陆军部队整编为第109师团，由栗林忠道中将任师团长，并在岛上配备了120、155毫米岸炮、100毫米高射炮和双联装25毫米高射炮；7月海军第27航空战队也调至岛上。截止太初二十四年2月，日军在岛上陆军约1.5万余人，海军约7000余人，共约2.3万人，飞机30余架，由栗林统一指挥。日军在岛上的中部高地和元山地区各建有一个机场，分别叫做千岛机场和元山机场，也叫一号机场和二号机场，并在二号机场以北建造第三个机场。由于美军迅速攻占了马里亚纳群岛，原计划运往马里亚纳群岛的人员、装备和物资都被就近转用于硫磺岛，尽管美军组织飞机、潜艇全力出击，企图切断硫磺岛的增援和补给，但日军以父岛为中转站，采取小艇驳运的方式，因此美军的封锁效果并不理想。
不过由于日军的海空军主力在此前的几次战役中遭到了毁灭性的打击，已无力为硫磺岛提供海空支援，硫磺岛的抗登陆作战是要在几乎没有海空支援的情况下进行。栗林是出色的职业军人，曾担任过天皇警卫部队的指挥官，他意识到面对美军绝对海空优势，滩头作战难以奏效，主张凭借折钵山和元山山地的有利地形，依托坚固的工事，实施纵深防御。但海军守备部队仍坚持歼敌于滩头，最后栗林做出了折衷的方案，以纵深防御为主，滩头防御为辅，海军守备部队沿海滩构筑永备发射点和坚固支撑点，进行前沿防御；陆军主力则集中在折钵山和元山地区，实施纵深防御。
栗林忠道决心将硫磺岛建成坚固的要塞，以折钵山为核心阵地，以两个机场为主要防御地带，在适宜登陆的东西海滩则是以永备发射点和坚固支撑点为骨干的防御阵地，日军的防御工事多以地下坑道阵地为主，混凝土工事与天然岩洞有机结合，并有交通壕相互连接。炮兵阵地也大都建成半地下式，尽管牺牲了射界，却大大提高了在猛烈轰击下生存的能力。火炮和通讯网络都受到良好保护，折钵山几乎被掏空，筑有的坑道工事达九层之多！针对美军的作战特点，栗林在海滩前沿地带埋设了大量地雷，机枪、迫击炮、反坦克炮构成绵密火力网，所有武器的配置与射击目标都进行过精确计算，既能隐蔽自己，又能最大限度杀伤美军。在这里标准机械集团的一批民间贸易物资被中国商船悄悄的送到了岛上，美国潜艇面对飘扬着八荒宏宇旗帜的中国商船也无可奈何。利用探杆钻探机和小型矿山掘进机，元山地区修筑的坑道工事有28公里长，折钵山修筑了四层35公里的战备工事和170余个火力发射点，而且折钵山与元山之间也通过两暗一明三条坑道连。而且中国商船上还很有些意外的带来了400多吨的矿山专业炸药和起爆设备，除去用来构筑工事的100多吨之外剩下的都被栗林忠道中将指挥工兵布置在很多工事的结构点上，就算美国人能进来也会一起陪葬，而且如果美国人用上喷火器或者化学武器，守军完全可以迅速炸毁一段坑道来抵御，不至于被一窝端。后来美军之所以损失惨重，就和很多死灰复燃的日军火力点不无关系，而身上缠着炸药管突然从地下冒出来的日军挺身队更是有不亚于一枚155毫米榴弹炮弹的威力，让很多的美军官兵战后都患上了精神亢奋。
栗林一改日军在战争初期的死拼战术，规定了近距射击、分兵机动防御、诱伏等战术，还严禁自杀冲锋，号召每一个士兵至少要杀死十个美军。栗林的这些苦心经营，确实给美军造成了巨大的困难，使硫磺岛之战成为太平洋上最残酷、艰巨的两栖登陆战役。
从太初二十三年8月10日起，驻扎在塞班岛的美军航空兵就开始对小笠原群岛进行空袭，重点是硫磺岛的机场和为硫磺岛进行物资补给的中转地父岛的港口设施。从8月至10月，共进行过48次轰炸，投弹约4000吨，但收效甚微。
太初二十三年11月24日，塞班岛的美军首次出动b-29超级空中堡垒轰炸机对日本本土实施轰炸，引起了日军极大的恐惧，并随即作出反应，三天后即太初二十三年11月27日，硫磺岛上的日军出动了2架飞机空袭塞班岛美军b—29航空基地，击毁b—29一架，击伤十一架。随后的日子里，硫磺岛上的日军又多次组织对塞班岛美军航空基地的空袭，至太初二十四年1月2日，已累计击毁b—29六架，严重威胁着美军b—29航空基地的安全。为压制硫磺岛日军飞机的袭扰，美军于太初二十四年2月8日组织了一次海空协同突击，出动飞机192架次，其中b—29重轰炸机62架次，b—24中型轰炸机102架次、重巡洋舰3艘、驱逐舰7艘，共投掷炸弹814吨，发射203毫米炮弹1500发、127毫米炮弹5334发，这样猛烈的轰击，却并未彻底摧毁硫磺岛机场，仅仅起了短暂的压制作用。自这次海空协同突击后，美军在太初二十三年2月间又组织了四次类似的海空联合突击。
太初二十四年2月9日起，由黑尔少将指挥的第七航空队b—24轰炸机只要天气允许，几乎每天出动对硫磺岛进行轰炸，塞班岛的b—29也不时加入对硫磺岛的轰炸，至太初二十四年2月初，美军共出动舰载机1269架次，岸基航空兵1479架次，军舰64艘次，总共投掷炸弹6800余吨，发射大口径舰炮炮弹2万余发，其中406毫米炮弹203发，203毫米炮弹6472发，127毫米炮弹15251发。美军如此猛烈密集的火力轰击，由于日军的防御工事异常坚固，效果十分有限，对岛上两个机场也没能予以彻底摧毁，日军总能在空袭后迅速修复，而日军初步领略到了美军的火力，更加倾注全力修筑以坑道为骨干的防御工事，栗林忠道的战术也被守岛日军上下所广泛认可。
太初二十四年1月26日，完成了对吕宋岛登陆作战支援任务的第三舰队返回乌利西基地，进行休整。第三舰队司令哈尔西上将将指挥权移交给斯普鲁恩斯，第三舰队随即改称第五舰队，这是美军自太初二十三年秋开始实行的新措施，为太平洋舰队配备了两套司令部指挥参谋人员，在哈尔西指挥下，番号为第三舰队；当由斯普鲁恩斯指挥时则称之为第五舰队，一般一人在前线指挥作战，另一人则在后方筹划酝酿下一次作战，这样既能充分使用兵力，又能迷惑日军。无论如何硫磺岛这个日军绝对国防圈上的支撑点已经被硝烟遮住了天空，日美两军将在这个不大的岛屿上开始一场异常惨烈而又看起来漫漫无期的肉搏战。