当地的火山灰和水泥混合可以成为非常良好的混凝土，日军用此建成许多非常坚固的地下工事，为了防止人员被围困，每个工事都有许多出口，四通八达，通风良好，大的暗堡甚至可以容下300到400人。
日军还准备建成27,000米的地下通道，连接所有的地下工事，美军登陆时已经完成了18,000米。但海军守备部队仍坚持歼敌于滩头，最后栗林做出了折衷的方案，以纵深防御为主，滩头防御为辅，海军守备部队沿海滩构筑永备发射点和坚固支撑点，进行前沿防御；陆军主力则集中在折钵山和元山地区，实施纵深防御。
栗林忠道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的能力。
火炮和通讯网络都受到良好保护，折钵山几乎被掏空，筑有的坑道工事达九层之多！针对美军的作战特点，栗林在海滩前沿地带埋设了大量地雷，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，又能最大限度杀伤美军。
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。
栗林一改日军在战争初期的死拼战术，借鉴塞班岛日军反登陆战3天内损失3万人的战例后主张对美军抢滩采取不抵抗战术。
直到美军先头部队进入陆地500米再发起反击，利用隐蔽工事近距离地大量杀伤美军有生力量。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。栗林的这些苦心经营，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、艰巨的两栖登陆战役。
硫磺岛上的美军每前进一步，都要付出巨大的代价，战斗已经成为不折不扣的消耗，有时一整天只前进4米，惨重的伤亡甚至使军官们都没有勇气再将士兵投入战斗。
日军在元山的正面由千田少将率领混成第2旅团防守，在对岛上第二制高点382高地的争夺中，陆战4师屡屡陷入日军的交叉火网，伤亡极其惨重，382高地因此被称为“绞肉机”，战斗部队的伤亡高达50%以上，有经验的连、排长和军士长伤亡殆尽，许多部队连长由少尉或上士担任，而排、班长大都由普通士兵担任。
美军必须逐一消灭侧翼的日军的阵地，解除侧翼威胁，才有可能向前推进，所以战斗异常残酷、激烈，直到1945年3月2日，24团才攻上了高地，但所付出的伤亡是巨大的，有好几个连的官兵非死即伤，几乎全连覆没。
美军本来计划五天拿下硫磺岛，但结果整整打了一个月的硬仗。3月26日，美军宣布占领硫磺岛，但在这前一天，即25日，隐藏的日军还跑出洞穴进行最后一次进攻。
这次战役中，进攻部队的伤亡超过了守军：美国陆海军将士负伤19000人，阵亡约7000人。此外，巨型航空母舰萨拉托加号受重伤，护卫航空母舰俾士麦海号被击沉。
美军登陆部队伤亡人数占总人数的30%，陆战3师的战斗部队伤亡60%，而陆战4师、5师战斗部队的伤亡更是高达75%，第5两栖军几乎失去了战斗力。
此次战役中，海军陆战队的伤亡之高也是其在太平洋战争中绝无仅有的，战后，尼米兹对参加过硫磺岛战役的陆战队员给予了高度的赞扬：“在硫磺岛作战的美国人，非凡的勇敢是他们共同的特点！”
美军还有一艘护航航母被击沉，航母、登陆兵运输舰、快速运输舰、中型登陆舰、扫雷舰、运输船各一艘、坦克登陆舰两艘被击伤。
美军为攻占硫磺岛所付出的人员伤亡比日军还多，这在太平洋战争中是极其少见的，而日军在失去海空支援，又没有增援补给的情况下，以地面部队凭借坚固而隐蔽的工事，采取正确的战术，进行了顽强的抵抗，使美军原计划五天攻占的弹丸小岛，足足打了三十六天，并付出了惨重的人员伤亡。
美军在此次作战中闪光之处就是舰炮支援比较得力，共发射各种口径炮弹30余万发，计1.4万吨，取得了较好的效果，有力支援了登陆部队的作战。
在这个仅8公里长、4公里宽的小岛上，美军苦战一个多月，虽然取得了最后的胜利，但也付出了巨大代价。
而这仅仅只是日本外围很微不足道的一个小岛，像这样的小岛在日本外围多的是，如果一直这样打下去，美国军方认为至少要付出百万以上的人员伤亡，这样的评估吓坏了美军。
为此，美国高层不得不重新评估登陆日本本土的行动，但就在这时，已经秘密运转了几年的曼哈顿计划的负责人向白宫方面汇报，原子弹计划已经进入尾声，马上就能进行试爆。
所谓的曼哈顿计划，是美国国家“科学研究发展局”对制造原子弹的代称，该计划有关理论与原料、设备、技术等方面进行了研究与准备之后，于1942年的6月17日，向当时的总统罗斯福，提出了设厂生产的报告，并得到了批准。
从此，该武器进入了生产阶段。经过几年的努力，终于有了结果，这也给正愁于如何进行登岛作战的美军高层送来了福音和希望。
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