גל הפלישה הראשון לא נתקל בהתנגדות יפנית במשך זמן מה; הייתה זו תוכניתו של הגנרל היפני קוריבאישי לנצור את האש עד שהחוף יתמלא בנחתים ובציוד אמריקניים. רק כשהנחתים התקרבו לקו הראשון של הבונקרים היפניים, שהיו מוגנים על ידי מכונות ירייה, נפתחה עליהם אש יפנית.
מלבד קווי ההגנה היפניים שבחופי האי, התמודדו הנחתים עם אש כבדה מהר סוריבאצ'י שבדרום האי, שבו היו כאלף עמדות מבוצרות. הנחתים התקשו מאוד להתקדם בגלל פני הקרקע הלא נוחים, שהיו מורכבים בעיקר מאפר געשי. האפר לא אפשר לתפוס נקודות אחיזה או לחפור תעלות הגנה מפני האש, וכלי הרכב נתקעו בו. הנחתים התקדמו באיטיות תוך כדי התגוננות מפני הפגזה ארטילרית כבדה שגרמה לנפגעים רבים. הודות להגעתן של יחידות משוריינות, ארטילריית צי כבדה ויחידות אוויריות שהפגיזו את הסוריבאצ'י, הנחתים הצליחו לבסוף להתקדם אל מעבר לחופים. בשעות הערב של אותו יום ההר כבר היה מוקף, ו־30,000 נחתים נחתו על האי. 40,000 נוספים היו עתידים להצטרף אליהם. ב-48 השעות הראשונות של הצליחה נהרגו או נפצעו כ-3,500 חיילים אמריקנים. מספר האבדות הגדול והבלתי צפוי זיעזע את האמריקנים, עד שהנשיא רוזוולט בכה כאשר שמע על כך בבית הלבן.
בימים שלאחר הנחיתות, הנחתים ציפו להתקפות באנזאי במהלך הלילה. הייתה זו אסטרטגיית ההגנה היפנית התקנית בקרבות הקודמים על אדמות אויב באוקיינוס השקט שבמהלכה רוב התוקפים היפניים נהרגו והכוח היפני נחלש במידה רבה. קוריבאישי אסר לחלוטין על תקיפות באנזאי כיוון שהוא לא האמין ביעילותן.
כיבוש הר סוריבאצ'י.
בבוקר היום הרביעי של הקרב האזור של הר סוריבאצ'י בודד משאר האי. באותו זמן הנחתים ידעו שליפנים יש רשת מסועפת של ביצורים תת־קרקעיים, וידעו שלמרות הבידוד מעל פני האדמה, ההר עדיין היה מחובר לביצורים היפניים באמצעות רשת המנהרות. הם ציפו לקרב עיקש על פסגת ההר.
שני צוותי סיור של ארבעה חיילים נשלחו במעלה ההר בנתיבי סיור שהיו על חלקו הצפוני. אגדה פופולרית (שהובלטה על ידי התקשורת בימים שלאחר הקרב עם פרסומו של הצילום המפורסם "הנפת הדגל באיוו ג'ימה") טוענת שהנחתים לחמו לאורך כל הדרך עד לפסגת ההר, אולם, אף על פי שהחיילים שהיו חמושים ברובים חששו ממארב הם לא נתקלו בכזה. החיילים הללו כן פגשו מספר קבוצות קטנות של חיילים יפניים על סוריבאצ'י, אולם רוב החיילים היפניים נשארו מתחת לאדמה ברשת המנהרות. הם תקפו במספרים קטנים, אולם כל התוקפים נהרגו. הסיירים הגיעו לפסגה וירדו ממנה בחזרה, ודיווחו על היעדר נוכחות של האויב לקולונל צ'נדלר ג'ונסון.
לאחר מכן ג'ונסון זימן מחלקה של נחתים והורה לה לטפס על ההר. הוא שלח איתם דגל קטן של ארצות הברית והורה להם להניף אותו כאשר יגיעו לפסגת ההר. הנחתים החלו להעפיל לפסגת ההר פעם נוספת, וציפו להתקפת נגד בכל רגע, התקפה שלא הגיעה גם בפעם הזאת. באמצעות שימוש בצינור שהם מצאו בהריסות שעל פסגת ההר, הנחתים תקעו את הדגל באדמת פסגת ההר, והיה הזה הדגל הזר הראשון מזה מאות שנים שהתנוסס על אדמה יפנית.
במקביל להנפת הדגל, מזכיר הצי של ארצות הברית, ג'יימס פורסטל, נחת על החוף לרגלי ההר והחליט שהוא רוצה את הדגל כמזכרת. האגדה הפופולרית טוענת שקולונל ג'ונסון רצה את הדגל לעצמו; למעשה, הוא האמין שהדגל שייך ל־28 הנחתים מגדוד 2, שהיו אלה שהגיעו לפסגת ההר. הוא שלח את רני גאגנון (אחד החיילים המצולמים בתמונה) עם דגל נוסף, ואמר לו להחליף את הדגל שבראש ההר. כאשר הדגל הראשון הורד, השני הונף, והצלם של סוכנות AP, ג'ו רוזנטל, צילם את התמונה המפורסמת "הנפת הדגל באיוו ג'ימה" (של הדגל השני) ברגע שבו הצינור שהחזיק את הדגל השני הוחדר לאדמה.
לאחר הר סוריבאצ'י.
למרות אובדן הר סוריבאצ'י, מערך הביצורים היפני בצפון האי עדיין נותר ברובו בשלמותו. כוחו של קוריבאשי כלל שמונה גדודי חיל רגלים, רגימנט טנקים, שני גדודי ארטילריה ושלושה גדודי מרגמות, בנוסף ל־5,000 רובאים וחיילי צי רגליים. המאבק לכיבוש מישור מוטויאמה, כולל "בליטת התרנגול", נמשך כמעט שלושה שבועות. ליפנים היו פחות כוחות מאשר לנחתים באזור זה, אולם רשת המנהרות המסועפת אפשרה להם להופיע בפתאומיות באזורים שנחשבו כמטוהרים ולתקוף את הנחתים מעורפם. הלחימה שהתרחשה לאחר מכן הייתה קשה מאוד. החיילים היפניים הגיחו לעיתים קרובות מתוך המנהרות וארבו לנחתים, אולם בסופו של דבר לא יכלו לעמוד לאורך זמן מול העדיפות המספרית והעליונות המכריעה בכוח אש של הצד האמריקני. אף על פי שהנחתים נתקלו מפעם לפעם בעמדות הגנה מחוזקות בארטילריה, הם הצליחו להתקדם. הם החלו להשתמש בלהביורים וברימוני יד על מנת לגרום ליפנים לצאת מתוך המנהרות שלהם. אחד מהאמצעים הטכנולוגיים שנעשה בהם שימוש, 8 טנקי שרמן M4A3R3 שצוידו בלהביורים של הצי (טנקים אלה נחשבים כטנק להביור), הוכח כיעיל ביותר בטיהור השטח מעמדות היפנים.
בתחילת הקרב סופק ללוחמים סיוע אווירי קרוב מנושאות מטוסים שעגנו ליד החוף. ב־6 במרץ משימה זו הועברה אל כנף 15, שהטיסה מטוסי P-51 מוסטנג, לאחר שנחתה על האי. באופן דומה, המשימה של הארת שדה הקרב בלילה בוצעה בתחילת הפלישה על ידי ספינות, ולאחר מכן עברה לאחריותם של כוחות ארטילריה שהגיעו אל האי. שדרים בקוד הנאוואחו היו חלק מאנשי התקשורת האמריקניים באי, ובמקביל אליהם נעשה שימוש בווקי־טוקי ובמכשירי קשר מבוססי רדיו.
החיילים היפנים נעשו נואשים יותר ויותר לקראת סוף הקרב. קוריבאישי, שהתנגד להתקפות באנזאי בתחילת הקרב, החל להבין שנפילת איוו ג'ימה קרובה מאוד, ולכן התנגדותו למתקפות נגד נואשות נחלשה. הנחתים החלו להתמודד עם מספר הולך ועולה של תקיפות לילה; תקיפות אלה נהדפו רק באמצעות שילוב של אש מקלעים מעמדות מוכנות ואש ארטילריה. במספר מקרים, התחולל קרב פנים אל פנים לפני שהיפנים נהדפו.
הימים האחרונים של הקרב.
לאחר שאבטחו את אזור הנחיתה, תוגברו כוחות הנחתים במקביל להגעת הציוד הכבד, והם החלו להתקדם צפונה במטרה לכבוש את שדות התעופה ואת שאר חלקי האי. רוב החיילים היפנים לחמו עד המוות. בליל ה־25 במרץ כוח של 300 חיילים יפנים פתח במתקפת נגד אחרונה בקרבת שדה התעופה מס' 2. טייסי צבא, גדודי הנדסה ונחתים מגדוד החלוץ ה־5 (בנוסף ל־28 הסיירים) נלחמו עם התוקפים היפנים עד הבוקר וספגו אבדות כבדות – למעלה ממאה הרוגים ומאתיים פצועים - לפני שהצליחו לבסוף להשמיד אותם. ביום שלאחר מכן האי הוכרז באופן רשמי כמקום "בטוח".
אף על פי שהעניין שנוי במחלוקת, עקב עדויות סותרות של ניצולים מקרב היפנים, נטען שקוריבאישי הנהיג אישית את המתקפה האחרונה. בניגוד למתקפות נגד קודמות, שאופיינו ברעש רב, הכוח התוקף שמר על שקט עד לרגע המתקפה, ולכן הצליח להפתיע את האמריקנים. אם הדבר יוכח כנכון, קוריבאישי יהיה הקצין היפני הבכיר ביותר שהוביל בעצמו מתקפה במהלך מלחמת העולם השנייה. בנוסף, זו הייתה פעולתו האחרונה של קוריבאישי בתהליך ההתנתקות שלו מהמסורת הצבאית היפנית. בדרך כלל נהגו הקצינים היפנים הבכירים לבצע ספוקו בעורף כשהמצב הפך לחסר תקווה, בעוד החיילים שבפיקודם נהרגים בתקיפות התאבדות, כפי שאירע בקרבות רבים - כגון קרב סאיפאן וקרב אוקינאווה - במהלך המלחמה בזירת האוקיינוס השקט.
לאחר הקרב.
מתוך סך של 22,000 חיילים יפניים, 21,500 נהרגו ו־216 נשבו במהלך הקרב. מקרב חיילי בעלות הברית נפגעו 27,909 חיילים, כאשר מתוכם 6,825 נהרגו. איוו ג'ימה היה הקרב היחיד שבו הנחתים האמריקאים ספגו יותר נפגעים מהיפנים. כיוון שכל האוכלוסייה האזרחית פונתה, לא היו אבדות מקרב האזרחים על איוו ג'ימה, בניגוד לסאיפאן ולאוקינאווה.
לאחר שאיוו ג'ימה הוכרז כאזור בטוח, העריכו הנחתים שעל אדמת האי נותרו לא יותר משלוש מאות חיילים יפנים, שנמצאים ברשת המערות והמנהרות שבאי. למעשה, מספר היפנים שנותרו היה קרוב יותר לשלושת אלפים. קוד ההתנהגות של היפנים, הבושידו, לצד תעמולה שתיארה את האמריקאים כחיות פרא אכזריות, גרמו לחיילים יפנים רבים שלא להיכנע לאמריקאים. החיילים היפנים שלא היו מסוגלים להתאבד התחבאו במערות במהלך היום ויצאו מהמערות בשעות הלילה על מנת לחפש מזון. אולם חיילים יפנים רבים נכנעו והופתעו כאשר האמריקאים התייחסו אליהם בחמלה, והציעו להם מים, סיגריות, או קפה. מבין החיילים שהתחבאו במערות, ידוע המקרה של יאמאקאגה קוקופו ומטסודו לינסוקי, שנטען כי התחבאו במשך שש שנים עד שהסגירו את עצמם ב־1951 (מקור אחר טוען שתאריך הכניעה היה למעשה ב־6 בינואר 1949).
למעלה מרבע ממספר מדליות הכבוד שהוענקו לנחתים במלחמת העולם השנייה ניתנו לנחתים שלחמו בפלישה לאיוו ג'ימה. הנחתים, הן חיילי הסדיר והן חיילי המילואים, קיבלו 24 מדליות כבוד. חמש מדליות נוספות הוענקו לחמישה אנשי צי (סדיר ומילואים גם כן).
בהתחשב במספר האבדות הגדול, נחיצותו של כיבוש האי והשפעתו ארוכת הטווח על תוצאות המלחמה הם נושאים שנויים במחלוקת עד היום. באפריל 1945 אמר בראיון במגזין ניוזוויק מפקד המבצעים הימיים בדימוס, ויליאם פראט: