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第二次编成.1944年（昭和19年）年5月，以父岛要塞守备队为基础再次编成，并编入大本营直属的小笠原兵团（兵团长：栗林忠道，兼任第109师团长）隷下。混成第1旅团部署于父岛，独立第2旅团部署于硫磺岛，混成第1联队部署于母岛以防备来自美军的攻击。在1945年（昭和20年）年2月16日开始的硫磺岛战役中，栗林师团持续进行长期作战，同年3月26日硫磺岛守备队全灭（玉碎）。此后，仅剩在父岛的混成第1旅团的第109师团进行重新整编，尽管遭受美军的空袭，依然执行防御任务直到终战。