粟林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，筑有的坑道就九层之多！针对美军的作战特点，粟林在海滩纵深埋设了大量地雷，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，又能最大限度杀伤敌军。唯一不足的是，原计划元山地区将修筑的坑道工事有28公里长，由于时间不够，当美军发动进攻时只完成了70%，约18公里，而且折钵山与元山之间也没有坑道连接。
粟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。粟林的这些苦心经营，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、艰巨的登陆战役。
从1944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。
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11月27日，硫磺岛日军出动了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，硫磺岛日军又多次组织对塞班岛美军航空基地的空袭，至1945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1944年12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12月间又组织了四次类似的海空联合突击。
12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1945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。
