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进入1945年，美军对硫黄岛的空袭越来越激烈。2月1日，美军在轰炸硫黄岛时首次使用了凝固汽油弹。硫黄岛守备队预期美军的登陆作战很快就会开始。2月14日，发现美特混舰队北上的小笠原兵团，命令各部队进入“乙配备”。
美军进攻硫黄岛的部队战斗兵力，包括陆战第三、第四、第五师，3个师的总兵力为75145人，拥有75毫米以上火炮168门，坦克约150辆。用于进攻的舰船多达495艘，此外还有包括旧式战列舰7艘、重巡洋舰4艘、驱逐舰15艘、护航航母11艘的支援舰艇参战，加上第五十八特混舰队和补给舰船及辅助舰船，用于进攻硫黄岛的美军舰船总数超过800艘。约75000名直接战斗兵力加上同行的海军部队官兵等，地面部队总兵力达到111300人。
2月16日拂晓，美第五舰队司令斯普鲁恩斯上将麾下的第五十八特混舰队（指挥官马克·A.米切尔中将）接近到东京东南约200公里的海上，轰炸了关东、东海地区的机场、港湾设施。17日又袭击了关东地区的机场、飞机制造厂、交通设施、船舶等。
在空袭日本本土的同时，美特混舰队在2月16日6时左右进入硫黄岛海域，航母群接近到该岛南方约80公里处，包括战列舰、驱逐舰、高速运输舰、扫雷艇、登陆支援舰艇等大量舰艇接近到该岛离岸5 ～ 16公里，包围了该岛。美军舰队规模庞大，大大小小的舰船铺满了海面，让硫黄岛上负责观察海岸、监视敌情的士兵简直不敢相信自己的眼睛，以至于有人报告说：“多到遮住大海的船只包围了岛屿。”不少人都相信这些舰船是去进攻冲绳的，因为他们觉得对于硫黄岛这样的弹丸小岛根本用不着这么多的军舰。但是栗林相信美军即将登陆，命令全体守备队进入“甲配备”（防备敌军登陆的配备）。
从老式战列舰“阿肯色”号上拍摄的在D日之前炮击硫黄岛的画面
2月16日至18日，美军对硫黄岛实施了极其猛烈的舰炮射击和空中轰炸。据幸存的日军士兵回忆，轰炸机的大编队甚至遮住了太阳，使周围变得昏暗，仿佛发生了日食。三天中，美机投下的炸弹有700吨，发射的炮弹有5000吨，整座岛屿似乎都要被炸飞了。在炮击轰炸中，全岛的绿色几乎都消失不见了。岛屿南端的折钵山被炸飞了约1/7，整座岛屿都被浓烟笼罩，让人难以想象岛上还会有活物存在。不过，日军躲藏在由洞窟式交通路连接起来的地下复廓阵地中，炮击轰炸的效果并不大。
为避免日军炮台在舰炮射击的刺激下暴露自身位置，栗林早已下令“应避免暴露炮台全貌的射击”。但事与愿违，日军炮台从17日开始就暴露了位置。当天上午，“彭萨克拉”号重巡洋舰靠近东海岸的悬崖下方，为扫雷艇提供掩护，日军炮兵实在经不住诱惑，北地区的150毫米重炮向它开了火。第一弹近了50米，接下来3分钟内有7发命中了“彭萨克拉”号，使该舰受到重创，战斗信息中心被炸毁，里面的副舰长也一同被炸死。连放在大炮旁边准备用于射击的炮弹也被引爆。经过船员在甲板上拼命奋战，“彭萨克拉”号上的火灾和进水不久就停止了，但船员有17人阵亡、120人受伤。
当天将近11时，近100名美国海军水下爆破队员向硫黄岛方向游去，在他们后方，由12艘登陆艇改装而成的LCI炮艇在离岸大约1000米处用火箭炮和40毫米炮提供掩护。这一情景使日军误以为美军对硫黄岛发动了真正的登陆作战，日军炮兵因此对其大举炮击，隐藏在北部和折钵山麓碉堡中的重炮对炮艇猛烈开火。一发炮弹击中了“LCI449”号艇的40毫米机关炮塔，杀死了5名炮手。30秒后，另一发炮弹击中了指挥台脚下，又杀死了12人。然后第三发炮弹命中了舰桥，炸坏了右舷。“473”号艇在折钵山正下方遭到重炮和轻武器的射击，舷侧被打出189个洞，并且发生了火灾。“450”号艇的2个40毫米炮塔被命中，数处起火，一发炮弹切断了船头的锚锁，船锚掉进海底。
一艘LCI上，一名40毫米炮的炮手战死在火炮上，旁边一名受伤的水手被固定在担架上
在这场一边倒的交火中，12艘LCI全部中弹。“田纳西”号、“内华达”号、“爱达荷”号战列舰等用炮火和烟幕掩护LCI，轰炸机也飞向折钵山阵地。日军的炮台也拼死应战。在日军的猛烈炮火中，蛙人们仍然出色地完成了任务，且除一人失踪外，全部安全返回。但是LCI和其上的艇员损失惨重，“474”号艇倾覆，其他LCI艇有好几艘失去动力，不得不靠曳航移动，也有的LCI艇虽然舷侧被炸出大洞并且起了火，仍然在继续执行任务。“449”号艇死伤最为惨重，艇员中有17人阵亡、20人受伤。驱逐舰“洛伊策”号也被炮弹命中，蒙受了7人阵亡、33人受伤的损失。
1945年2月17日上午，一艘木壳扫雷舰在岸炮火力下工作，同时一艘驱逐舰冲过来用炮火覆盖了右方远处的海滩
日军自以为击退了美军的登陆，为此十分得意。东京的对海外广播中宣称2月17日上午日军守备队将登陆硫黄岛的敌军赶进大海，还击沉了包括战列舰在内的5艘敌舰。联合舰队司令长官丰田副武也致电市丸，称赞硫黄岛防卫部队沉着冷静，击退了敌军的第一次登陆，给敌军以沉重打击云云。日军为这一天“扬眉吐气”的炮战付出了沉重的代价。
由于日军的炮击，美军发现日军的炮兵依然强大，之前一直不为美军所知的防御阵地也暴露了。美军因此决定集中炮火破坏海岸附近的日军火炮。仅17日这天，硫黄岛守备队就损失了120毫米平射炮3门、120毫米高射炮3门、喷进炮1门、25毫米机炮6门、雷达2台等。在日军炮台暴露位置后，美军结合空中摄影、潜艇的侦察和在塞班岛缴获的资料等，首次准确判明了硫黄岛惊人的防御体系。
2月18日，登陆前三天炮火准备的最后一天，对硫黄岛的炮击达到高潮。各战列舰在上午7时45分从离岸2500米的海面开始炮击。“内华达”号和“纽约”号将海滩沙丘上的沙子炸飞，露出了隐藏在沙子下面的混凝土碉堡，之后向其发射了填装2000磅高性能炸药的炮弹，碉堡被一个接一个地破坏了。一旦有日本兵从阵地上逃出，立刻成为40毫米机关炮的活靶子。
“爱达荷”号战列舰对折钵山集中轰击了一整天，山脚的岩石和混凝土碉堡被炸得粉碎。这一天日军的人员伤亡依然不大，但防御工事和火炮损失惨重。经过三天的炮火准备，千鸟第一机场无法使用，南海岸的24个混凝土碉堡中有6个被完全破坏，折钵山麓和南部落的8个海军水平炮台也被破坏。损失的火炮计有14厘米炮等合计16门，对空对地两用机关炮10台等。
特别是南部落、折钵山地区的海军平射炮的大部分在登陆前丧失。海岸炮台因暴露位置在美军登陆前就被舰炮射击摧毁，这是日军在硫黄岛防御中的一个重大过失，对美军来说则幸运至极。如果这些炮台没有在登陆前被发现，美军在2月19日的登陆中将会蒙受更加可怕的损失。
尽管如此，日军仍有大量火炮和迫击炮完好无损，正等待着美军登陆。硫黄岛的日军兵力和火力密度非常大，特别是以日军的标准来看，硫黄岛的炮兵力量是相当强大的。猛烈的炮火加上规模庞大的地下坑道系统，这是日后美军蒙受重大伤亡的最重要原因。
2月18日，栗林认为美军登陆地点毫无疑问是在南海岸，并预计南端的折钵山同北方台地的阵地间将很快断绝联系，于是将混成第二旅团司令部附、原伊支队长厚地兼彦派到折钵山地区。硫黄岛守备队在18日夜离开地下坑道全体进入守备阵地。