6月12日，硫磺島的美軍登陸部隊繼續進攻。從凌晨開始，美軍炮擊艦隊就根據登陸部隊的要求進行火力準備。在艦炮和飛機的支援下，美軍陸戰第2師攻佔了1號機場，陸戰第6師向折缽山發起進攻。硫磺島的日軍雖然兵力、火力處於劣勢，但有很多堅固的工事可以依托。日軍的工事，相當一部分建在美軍艦炮火力無法射擊到的岩洞中。在栗林忠道的指揮下，島上的日軍部隊頑強抵抗。面對日軍永備火力點、坑道、地堡、岩洞工事等組成的防線，登陸的美軍即便有強大的艦炮和航空火力支援，依然推進速度緩慢。在很多地段，如果沒有坦克參加進攻，美軍登陸部隊幾乎無法前進。

　　6月14日，日軍第1機動艦隊的主力出現在硫磺島海域，包括13艘日軍航母。此時進攻硫磺島的美軍艦隊有19艘航母，其中16艘是埃塞克斯級艦隊航母，另外3艘是護航航母。雖然在這幾天的戰鬥中，美軍艦載機損失了不少，但得益於從馬裡亞納群島運輸過來的飛機和空勤人員補充，美軍這19艘航母的航空力量依然齊裝滿員。在航空力量對比上，日軍艦隊處於很大劣勢。在小澤治三郎的命令下，日軍航母翔鶴號、瑞鶴號、大鷹號、大鳳號、伊勢號、日向號的340多架艦載機紛紛從甲板上起飛。美軍的雷達哨艦發現大批日軍戰機低空掠過，但位置和進攻方向與哈爾西之前的預料不同。日軍這一波機群的進攻方向是硫磺島灘頭附近的美軍炮擊艦隊、護航航母編隊等，而不是離硫磺島較遠的美軍航空艦隊。硫磺島灘頭附近，美軍3艘護航航空母艦上的20多架F-4U戰鬥機升空攔截日軍飛機。美軍航空艦隊中有16艘埃塞克斯級航母，但位置離硫磺島灘頭較遠。得到日軍飛機進攻方向的報告後，美軍旗艦新澤西號戰列艦上的哈爾西命令12艘埃塞克斯級航母上的戰鬥機出動，攔截日軍機群，但為時已晚。哈爾西當然想進攻日軍航空艦隊，但根據美軍偵查機的報告，日軍航空艦隊現在的位置在美軍艦載機的作戰半徑之外。

　　日軍“紫電改”戰鬥機相對美軍護航航母上起飛的F-4U戰鬥機，飛機性能、飛行員素質佔優，還有幾倍的數量優勢。美軍的20多架F-4U戰鬥機很快就如被屠殺一般，被日軍的“紫電改”戰鬥機全部消滅。面對逼近的日軍慧星式俯衝轟炸機、天山式魚雷機，美軍護航航母、巡洋艦、驅逐艦的各種高射炮開始射擊。日軍的100多架慧星式俯衝轟炸機，其中50多架集中攻擊3艘美軍護航航母，500公斤的炸彈接連投向目標。美軍的3艘護航航母被多顆500公斤炸彈擊中，接連發生大爆炸，以很快的速度沉沒。至此，參加硫磺島戰役的美軍12艘護航航母全部被擊沉。日軍還有50多架慧星式俯衝轟炸機用250公斤炸彈轟炸美軍登陸艦、運輸船等，往往是一顆炸彈炸沉一條船。硫磺島灘頭附近的很多美軍船隻，裝滿了準備給地面部隊使用的武器彈藥。這類船隻被重磅炸彈擊中後，往往是發生大爆炸後快速下沉，坦克、裝甲車、大炮和各種零件在大爆炸中飛上半空。

　　日軍100多架天山式魚雷機從低空逼近美軍炮擊艦隊。美軍戰列艦南達科他號、印第安那號以及周圍巡洋艦、驅逐艦的各種高射炮猛烈開火，迅速形成了密集的火力網。美軍軍艦上的127毫米高射炮裝備了無線電近炸引信，防空效率大幅度增加。日軍的天山式魚雷機盡管已經盡量分散進攻，

還是有幾十架被擊落、擊傷。日軍剩下的天山式魚雷機在投放魚雷後，迅速轉彎離開。日軍魚雷機投下的幾十枚450毫米魚雷落水後高速運動，以大的定深攻擊美軍艦隊，越過美軍驅逐艦，擊中多艘美軍巡洋艦以及戰列艦南達科他號、印第安那號。幾艘被多枚魚雷擊中的美軍巡洋艦接連發生爆炸，船舷處不斷激起水柱，迅速沉沒。南達科他號、印第安那號，這兩艘美軍戰列艦都中了10枚以上的魚雷，船舷裝甲被炸開多個大洞，大量的海水快速湧入。在一聲聲大爆炸中，南達科他號、印第安那號傾斜沉沒。美軍從12艘埃塞克斯級航母上起飛的430多架戰鬥機趕到，企圖截殺返航的日軍飛機。但日軍剩下的飛機並沒有返航，而是根據出發之前得到的命令，飛往硫磺島的日軍控制區上空。到達後，這些日軍飛機的空勤人員棄機跳傘。在此情況下，哈爾西隻得下令出擊的戰鬥機返回。　　日軍第1機動艦隊的旗艦翔鶴號，裝甲指揮塔內。

　　一名參謀:“報告司令官，美軍航空艦隊出擊的戰鬥機正在返航。”

　　小澤治三郎:“參謀長，你看現在對美軍航空艦隊發起進攻如何?”

　　第1機動艦隊參謀長草鹿龍之介:“司令官英明，現在是進攻美軍航空艦隊的最好時機。”

　　小澤治三郎:“命令信濃號、雲龍號、天城號、葛城號、笠置號、阿蘇號、生駒號，出動全部飛機打擊美軍航空艦隊。”

　　日軍7艘航母的420多架艦載機，起飛後直撲美軍航空艦隊。美軍航空艦隊雖然有16艘航母，但其中12艘航母的戰鬥機正在返航途中。當日軍機群殺到時，美軍12艘航母的戰鬥機雖然已經返回，但還需要添油加彈才能起飛迎戰。於是，哈爾西能立即起飛迎敵的戰鬥機只有4艘航母的140多架F-6F。日軍“紫電改”戰鬥機和美軍F-6F戰鬥機展開激烈搏殺，20毫米機炮炮彈和12.7毫米機槍子彈在空中飛舞。美軍軍艦的各種高射炮猛烈射擊，打出的密集炮彈形成了彈幕。日軍“紫電改”戰鬥機的數量和美軍F-6F戰鬥機差不多，但性能稍有優勢。在己方戰鬥機略佔優勢的拚殺中，日軍慧星式俯衝轟炸機、天山式魚雷機冒著敵方戰鬥機12.7毫米機槍火力和軍艦127、40、20毫米高射炮火力的攔截，不顧損失向美軍軍艦逼近。

　　日軍慧星式俯衝轟炸機對美軍航母埃塞克斯號、大黃蜂號(埃塞克斯級)、富蘭克林號投下了幾十顆500公斤炸彈。埃塞克斯號、大黃蜂號(埃塞克斯級)、富蘭克林號不斷響起巨大的爆炸聲，這3艘航母的飛行甲板、艦橋被炸得一塌糊塗，甲板上的飛機在爆炸、燃燒。埃塞克斯號、大黃蜂號(埃塞克斯級)上的爆炸延伸到裝滿飛機、彈藥、燃料的機庫。這兩艘航母在熊熊大火中逐漸成為廢船，緩慢沉入大海。富蘭克林號的彈藥庫被引爆，一聲巨響後，多個艙室大量進水，迅速沉沒。

　　日軍天山式魚雷機對美軍航母列克星敦號(埃塞克斯級)、好人理查德號、普林斯頓號(埃塞克斯級)發射了幾十枚450毫米魚雷。日軍這些魚雷機發射魚雷時雖然離目標距離比較遠，但投擲的魚雷數量多，定深大。這些魚雷從美軍驅逐艦船底穿過，幾艘美軍巡洋艦被擊沉。列克星敦號(埃塞克斯級)、好人理查德號、普林斯頓號(埃塞克斯級)躲閃不及，紛紛被魚雷擊中。這3艘航母的船舷裝甲都被炸開幾個大洞，大量海水湧入，船身迅速開始傾斜。列克星敦號(埃塞克斯級)在發生一連串爆炸後迅速沉沒。好人理查德號、普林斯頓號(埃塞克斯級)在不斷爆炸和進水中動力逐漸喪失，逐漸沉入大海。

　　包括6艘埃塞克斯級航母在內的10多艘美軍軍艦被擊沉， 但日軍這一波出擊的420多架艦載機也被擊落了300多架。剩下的120多架日軍艦載機飛到硫磺島的日軍控制區上空，然後這些日軍飛機的空勤人員放棄飛機跳傘。根據小澤治三郎的命令，日軍航空艦隊早已經開始撤退。在哈爾西的命令下，美軍航空艦隊開始追擊。由於美軍航母有平均速度優勢，雙方艦隊的距離不斷拉近。

　　日軍航母大鷹號、伊勢號、日向號，還有20幾艘日軍巡洋艦、驅逐艦，因為速度較慢，逐漸落在了後面。哈爾西得到偵察機的報告後，下達了進攻的命令。美軍10艘埃塞克斯級航母的1000多架飛機從甲板起飛，向這些在飛機作戰半徑之內的日軍軍艦撲來。當美軍飛機來臨時，日軍軍艦的各種高射炮，尤其是57毫米中型高射炮激烈開火，擊落擊傷了很多架美軍飛機。10幾艘日軍巡洋艦、驅逐艦被美軍飛機投擲的炸彈、魚雷擊沉。日軍落在後面的3艘航母，大鷹號被直接擊沉，伊勢號、日向號受損嚴重，動力大減。小澤治三郎當機立斷，下令放棄伊勢號、日向號。在這兩艘航母的艦員撤到其他軍艦上後，日軍驅逐艦實施魚雷攻擊。在一聲聲爆炸後，伊勢號、日向號沉沒。撤退中的日軍航空艦隊逐漸進入了駐扎在菲律賓的日軍陸基飛機作戰半徑，哈爾西隻得放棄追擊。6月15日，栗林忠道派遣部隊護送跳傘的空勤人員，殺到事先約定的接應地點。幾艘日軍潛艇已經等候在那裡。空勤人員迅速登上潛艇。在這幾艘潛艇的搭載下，這些空勤人員得以回到菲律賓，重返艦隊。