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6月12日，硫磺岛的美军登陆部队继续进攻。从凌晨开始，美军炮击舰队就根据登陆部队的要求进行火力准备。在舰炮和飞机的支援下，美军陆战第2师攻占了1号机场，陆战第6师向折钵山发起进攻。硫磺岛的日军虽然兵力、火力处于劣势，但有很多坚固的工事可以依托。日军的工事，相当一部分建在美军舰炮火力无法射击到的岩洞中。在栗林忠道的指挥下，岛上的日军部队顽强抵抗。面对日军永备火力点、坑道、地堡、岩洞工事等组成的防线，登陆的美军即便有强大的舰炮和航空火力支援，依然推进速度缓慢。在很多地段，如果没有坦克参加进攻，美军登陆部队几乎无法前进。
6月14日，日军第1机动舰队的主力出现在硫磺岛海域，包括13艘日军航母。此时进攻硫磺岛的美军舰队有19艘航母，其中16艘是埃塞克斯级舰队航母，另外3艘是护航航母。虽然在这几天的战斗中，美军舰载机损失了不少，但得益于从马里亚纳群岛运输过来的飞机和空勤人员补充，美军这19艘航母的航空力量依然齐装满员。在航空力量对比上，日军舰队处于很大劣势。在小泽治三郎的命令下，日军航母翔鹤号、瑞鹤号、大鹰号、大凤号、伊势号、日向号的340多架舰载机纷纷从甲板上起飞。美军的雷达哨舰发现大批日军战机低空掠过，但位置和进攻方向与哈尔西之前的预料不同。日军这一波机群的进攻方向是硫磺岛滩头附近的美军炮击舰队、护航航母编队等，而不是离硫磺岛较远的美军航空舰队。硫磺岛滩头附近，美军3艘护航航空母舰上的20多架F-4U战斗机升空拦截日军飞机。美军航空舰队中有16艘埃塞克斯级航母，但位置离硫磺岛滩头较远。得到日军飞机进攻方向的报告后，美军旗舰新泽西号战列舰上的哈尔西命令12艘埃塞克斯级航母上的战斗机出动，拦截日军机群，但为时已晚。哈尔西当然想进攻日军航空舰队，但根据美军侦查机的报告，日军航空舰队现在的位置在美军舰载机的作战半径之外。
日军“紫电改”战斗机相对美军护航航母上起飞的F-4U战斗机，飞机性能、飞行员素质占优，还有几倍的数量优势。美军的20多架F-4U战斗机很快就如被屠杀一般，被日军的“紫电改”战斗机全部消灭。面对逼近的日军慧星式俯冲轰炸机、天山式鱼雷机，美军护航航母、巡洋舰、驱逐舰的各种高射炮开始射击。日军的100多架慧星式俯冲轰炸机，其中50多架集中攻击3艘美军护航航母，500公斤的炸弹接连投向目标。美军的3艘护航航母被多颗500公斤炸弹击中，接连发生大爆炸，以很快的速度沉没。至此，参加硫磺岛战役的美军12艘护航航母全部被击沉。日军还有50多架慧星式俯冲轰炸机用250公斤炸弹轰炸美军登陆舰、运输船等，往往是一颗炸弹炸沉一条船。硫磺岛滩头附近的很多美军船只，装满了准备给地面部队使用的武器弹药。这类船只被重磅炸弹击中后，往往是发生大爆炸后快速下沉，坦克、装甲车、大炮和各种零件在大爆炸中飞上半空。
日军100多架天山式鱼雷机从低空逼近美军炮击舰队。美军战列舰南达科他号、印第安那号以及周围巡洋舰、驱逐舰的各种高射炮猛烈开火，迅速形成了密集的火力网。美军军舰上的127毫米高射炮装备了无线电近炸引信，防空效率大幅度增加。日军的天山式鱼雷机尽管已经尽量分散进攻，还是有几十架被击落、击伤。日军剩下的天山式鱼雷机在投放鱼雷后，迅速转弯离开。日军鱼雷机投下的几十枚450毫米鱼雷落水后高速运动，以大的定深攻击美军舰队，越过美军驱逐舰，击中多艘美军巡洋舰以及战列舰南达科他号、印第安那号。几艘被多枚鱼雷击中的美军巡洋舰接连发生爆炸，船舷处不断激起水柱，迅速沉没。南达科他号、印第安那号，这两艘美军战列舰都中了10枚以上的鱼雷，船舷装甲被炸开多个大洞，大量的海水快速涌入。在一声声大爆炸中，南达科他号、印第安那号倾斜沉没。美军从12艘埃塞克斯级航母上起飞的430多架战斗机赶到，企图截杀返航的日军飞机。但日军剩下的飞机并没有返航，而是根据出发之前得到的命令，飞往硫磺岛的日军控制区上空。到达后，这些日军飞机的空勤人员弃机跳伞。在此情况下，哈尔西只得下令出击的战斗机返回。
日军第1机动舰队的旗舰翔鹤号，装甲指挥塔内。
一名参谋：“报告司令官，美军航空舰队出击的战斗机正在返航。”
小泽治三郎：“参谋长，你看现在对美军航空舰队发起进攻如何？”
第1机动舰队参谋长草鹿龙之介：“司令官英明，现在是进攻美军航空舰队的最好时机。”
小泽治三郎：“命令信浓号、云龙号、天城号、葛城号、笠置号、阿苏号、生驹号，出动全部飞机打击美军航空舰队。”
日军7艘航母的420多架舰载机，起飞后直扑美军航空舰队。美军航空舰队虽然有16艘航母，但其中12艘航母的战斗机正在返航途中。当日军机群杀到时，美军12艘航母的战斗机虽然已经返回，但还需要添油加弹才能起飞迎战。于是，哈尔西能立即起飞迎敌的战斗机只有4艘航母的140多架F-6F。日军“紫电改”战斗机和美军F-6F战斗机展开激烈搏杀，20毫米机炮炮弹和12.7毫米机枪子弹在空中飞舞。美军军舰的各种高射炮猛烈射击，打出的密集炮弹形成了弹幕。日军“紫电改”战斗机的数量和美军F-6F战斗机差不多，但性能稍有优势。在己方战斗机略占优势的拼杀中，日军慧星式俯冲轰炸机、天山式鱼雷机冒着敌方战斗机12.7毫米机枪火力和军舰127、40、20毫米高射炮火力的拦截，不顾损失向美军军舰逼近。
日军慧星式俯冲轰炸机对美军航母埃塞克斯号、大黄蜂号（埃塞克斯级）、富兰克林号投下了几十颗500公斤炸弹。埃塞克斯号、大黄蜂号（埃塞克斯级）、富兰克林号不断响起巨大的爆炸声，这3艘航母的飞行甲板、舰桥被炸得一塌糊涂，甲板上的飞机在爆炸、燃烧。埃塞克斯号、大黄蜂号（埃塞克斯级）上的爆炸延伸到装满飞机、弹药、燃料的机库。这两艘航母在熊熊大火中逐渐成为废船，缓慢沉入大海。富兰克林号的弹药库被引爆，一声巨响后，多个舱室大量进水，迅速沉没。
日军天山式鱼雷机对美军航母列克星敦号（埃塞克斯级）、好人理查德号、普林斯顿号（埃塞克斯级）发射了几十枚450毫米鱼雷。日军这些鱼雷机发射鱼雷时虽然离目标距离比较远，但投掷的鱼雷数量多，定深大。这些鱼雷从美军驱逐舰船底穿过，几艘美军巡洋舰被击沉。列克星敦号（埃塞克斯级）、好人理查德号、普林斯顿号（埃塞克斯级）躲闪不及，纷纷被鱼雷击中。这3艘航母的船舷装甲都被炸开几个大洞，大量海水涌入，船身迅速开始倾斜。列克星敦号（埃塞克斯级）在发生一连串爆炸后迅速沉没。好人理查德号、普林斯顿号（埃塞克斯级）在不断爆炸和进水中动力逐渐丧失，逐渐沉入大海。
包括6艘埃塞克斯级航母在内的10多艘美军军舰被击沉，但日军这一波出击的420多架舰载机也被击落了300多架。剩下的120多架日军舰载机飞到硫磺岛的日军控制区上空，然后这些日军飞机的空勤人员放弃飞机跳伞。根据小泽治三郎的命令，日军航空舰队早已经开始撤退。在哈尔西的命令下，美军航空舰队开始追击。由于美军航母有平均速度优势，双方舰队的距离不断拉近。
日军航母大鹰号、伊势号、日向号，还有20几艘日军巡洋舰、驱逐舰，因为速度较慢，逐渐落在了后面。哈尔西得到侦察机的报告后，下达了进攻的命令。美军10艘埃塞克斯级航母的1000多架飞机从甲板起飞，向这些在飞机作战半径之内的日军军舰扑来。当美军飞机来临时，日军军舰的各种高射炮，尤其是57毫米中型高射炮激烈开火，击落击伤了很多架美军飞机。10几艘日军巡洋舰、驱逐舰被美军飞机投掷的炸弹、鱼雷击沉。日军落在后面的3艘航母，大鹰号被直接击沉，伊势号、日向号受损严重，动力大减。小泽治三郎当机立断，下令放弃伊势号、日向号。在这两艘航母的舰员撤到其他军舰上后，日军驱逐舰实施鱼雷攻击。在一声声爆炸后，伊势号、日向号沉没。撤退中的日军航空舰队逐渐进入了驻扎在菲律宾的日军陆基飞机作战半径，哈尔西只得放弃追击。6月15日，栗林忠道派遣部队护送跳伞的空勤人员，杀到事先约定的接应地点。几艘日军潜艇已经等候在那里。空勤人员迅速登上潜艇。在这几艘潜艇的搭载下，这些空勤人员得以回到菲律宾，重返舰队。