山田乙三不得不再一次向大本营求援，请求派遣更多的部队前往东北作战。
但是，大本营现在也是自身难保了。
就在马铮所部忙着向锦州方向挺进，准备关门打狗的时候，美日两国围绕硫黄岛展开了残酷、激烈的攻防战。
硫磺岛距东京和塞班岛，大约各为一千二百公里，是小笠原群岛的核心岛屿。
该岛东西仅八公里，南北仅四公里；是一个喷出硫黄瓦斯、地热很高、而且缺水的窄小孤岛。
但岛的中部与南部有机场，是连接已落入美军手中的马里亚纳基地和日本都的唯一战略中继基地。
换句话说，这个岛一旦落入敌手，东京以及日本东部的重要地区就将暴露在敌战斗机、轰炸机联合机群的奇袭攻击面前。
大本营鉴于该岛的这种战略性地位，预料敌军即便在其推进基地的主作战线指向东中国海的情况下，也将先进攻此岛。
尤其从美军对该岛的袭击日益激化的动向来看，日军大本营估计早则2月美军就会攻打硫磺岛。
为此，大本营计划让配备在日本东部的陆军教导航空军和海军的第3航空舰队担任硫黄岛的航空作战。还命令担任地面防御的小笠原兵团击溃来犯的美军，死守小笠原群岛，尽量拖长钳制敌军利用机场，以利于日军的航空作战。然而由于菲律宾方面的战败，丧失了空军的精锐兵力，在预计3、4月份进行的东中国海周围的作战之前，能否重建起来，还是个疑问；而日军航空基地的配置情况，对硫黄岛进行空战不利。
鉴于这些情况，大本营便决定放弃过去的积极作战计划，改为被动防御。
大本营的预料很准确，美军确实打算攻打硫磺岛，并将时间定在了2月中旬。
1945年2月16日，美军机动舰队以千余架次的飞机袭击关东地方；另一方面，从这—天凌晨起，开始对硫黄岛进行猛烈的舰炮射击，硫黄岛战役打响。
战斗很惨烈，从2月中旬一直打到了三月中旬，在长达一个月的战斗中，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，美军陆战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5o%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。
直到3月16日，硫磺岛东北部的8oo余日军被歼灭，美军才宣布占领硫磺岛。
但战斗仍在继续，粟林中将指挥残部依然在抵抗，24日美军才将残余的日军压缩在岛北部约21oo平方米的狭小范围里。
1945年3月25日，硫磺岛指挥官栗林中将派人设法通知岛上每一个人，于夜间携带武器在三号机场附近的山区集合。
26日凌晨，栗林忠道亲自率领约35o名日军向二号机场的美军起了最后反击，许多美军在睡梦中被杀，天亮后，美军组织扫荡，四处追杀这股残余日军，激战三小时，将这股日军大部歼灭，日军仅遗留在美军阵地前的尸体就有25o具，栗林负伤后在岛上剖腹自杀，美军伤亡172人。
美军于当天9:oo时宣布硫磺岛战役结束，但残余日军的战斗一直持续到4月底。
而日军在硫磺岛战役中阵亡22，7o3人，被俘1，o83人，共计23，786人。此外还损失为飞机9o余架，潜艇三艘。
此战，不仅使美军获得了轰炸日本本土的重要基地，还打开了直接攻击日本本土的通道，对此后美军的军事行动产生巨大的作用。
至此，美军的轰炸机在护航战斗机的保护下可以在中低空轰炸日本本土的城市，大大提高了攻击效率。
夺取硫磺岛之后，美军迅组织了东京大轰炸，名古屋大空袭和大阪大空袭，对于逼迫日本投降产生了巨大的作用。
而在此情况下，日本高层已经无力再向海外的殖民地以及战场投送兵力了，所以山田乙三等人的请求注定是无果的。