天黑后，美军害怕日军发动大规模夜袭，海面上的军舰几乎不间断地向岛上发射照明弹，将黑夜照得如同白昼，出乎意外的是，日军通常会在登陆的当天夜间发动的夜袭根本没有，除了一些小股日军的袭扰外，太平无事。这是因为粟林深知自己的实力，坚决不采取自杀性的冲锋。度过了第一个平安的夜晚后，迎接美军的将是更为残酷的战斗。
2月20日，从凌晨开始，美军舰炮就根据登陆部队的要求进行火力准备。八时三十分，美军登陆部队发起了进攻，陆战四师在舰炮和坦克支援下，攻占了一号机场，并切断了岛南日军与元山之间的联系。机场刚刚被攻占，工兵就开始全力抢修，以便尽快能投入使用。陆战五师向折钵山攻击，由于日军很多工事都建在舰炮火力无法射击到的岩洞中，在坦克到来前，二十八团几乎无法前进，最后在坦克掩护下，以手榴弹、炸药包、火焰喷射器逐一消灭岩洞中的日军，有时甚至出动推土机将洞口封闭，因此进展极为缓慢，直到黄昏，才总共前进了180米。
2月21日，岛上的激战仍在继续，进展十分有限。海滩勤务大队经过不懈的努力，解决了滩头的混乱局面，天气却愈加恶劣，海上风大浪高，严重影响了补给品的卸载。由于岛上的部队伤亡较大，作为预备队的陆战三师二十一团奉命上岛投入战斗。
2月22日，因大雨美军登陆部队被迫停止进攻，抓紧进行战地休整。由于三天来，美军在硫磺岛上阵亡、失踪人数已达1204人，负伤4108人。美国国内的新闻界甚至强烈要求“让陆战队喘口气——给日本人放毒气。”诚然，对付隐藏在坑道或岩洞中的日军，毒气既实用，又比火焰喷射器更为“仁慈”，尽管美、日两国都没有签署严禁使用毒气的《日内瓦公约》，但罗斯福总统和尼米兹都不愿违反公约，战后尼米兹承认，没有使用毒气完全是出于道义的考虑，结果使大量优秀的陆战队员付出了生命。
2月23日，美军陆战四师以二号机场为目标发起总攻，但在日军永备发射点、坑道、地堡和岩洞工事组成的防线前，推进极为缓慢，简直像蜗牛爬行。全天，只有右翼前进了约300米，左翼和中间几乎毫无进展。
这天唯一的战果是在折钵山，美军因其不断喷发烟雾，称之为“热岩”，日军几乎将整座山掏空，修筑有数以千计的火力点，尤其是山顶的观察哨，居高临下俯瞰整个东海岸，能准确指引、校正纵深炮火的射击，对于美军威胁极大。经四天血战，十时二十分，陆战五师二十八团由哈罗得•希勒中尉率领的40人组成的小分队，终于攻上了折钵山山顶，升起了一面美国国旗。尽管折钵山上，仍有近千日军凭借着坑道和岩洞工事拼死抵抗。四小时后，希勒的士兵又插起了一面更大的星条旗，美联社记者乔•罗森塔尔将插旗时的情景拍摄下来，这张照片随即广为流传，成为胜利的象征。后来太平洋战区总部还专门查询插旗的陆战队员姓名和家庭地址，进行表彰。刚赶到硫磺岛视察的美国海军部长福雷斯特尔和第五两栖军军长史密斯注视着在折钵山山顶飘扬的国旗，非常激动，福雷斯特总结到：“折钵山升起的国旗意味着海军陆战队从此后五百年的荣誉！”海面上军舰上的水兵看到这面象征胜利的旗帜，欢声雷动！——特纳将陆战五师二十八团留在折钵山，负责肃清山上的日军，而五师的另两个团则调到北部，协同四师攻击元山地区的日军。
