因爲呂宋島戰役進展緩慢，尼米茲將硫磺島的作戰推遲到1945年2月中旬。1944年10月初，美國太平洋艦隊司令部的參謀人員就將進攻硫磺島的計劃制定出來，參加作戰的地面部隊爲第5兩棲軍，下轄海軍陸戰隊第3、4、5師，共約6萬人，由霍蘭·史密斯中將指揮;登陸編隊和支援編隊，由凱利特納中將指揮;米切爾中將指揮的第58特混編隊負責海空掩護;所有參戰登陸艦艇約500艘，軍艦約400艘，飛機約2000架，由第五艦隊司令斯普魯恩斯上將統一指揮。
在1944年前，日軍僅僅把硫磺島作爲太平洋中部與南部的航空中繼基地，只部署了海軍守備部隊1500餘人和飛機20架。1944年馬里亞納羣島失守後，硫磺島的重要性日趨明顯，日軍纔開始大力加強其防禦力量，1944年3月下旬將4000餘陸軍部隊送上島;5月將硫磺島的陸軍部隊整編爲第109師團，由慄林忠道中將任師團長，並在島上配備了120、155毫米岸炮、100毫米高射炮和雙聯裝25毫米高射炮;7月日軍把海軍第27航空戰隊調至島上，將所有非戰鬥人員撤出了硫磺島，修建了地下工事，將主要火力集中到山腳，射程覆蓋到灘頭。
從父島調來5,000人、從塞班撤回2,700人都集中到硫磺島，到8月，已經達到12,700人。後來又來了1,233名海軍工兵修建工事。
8月10日，2,216名海軍到達。同時日軍向硫磺島調送武器，雖然許多運送船隻被美軍擊沉，但到了1944年末，日軍仍然成功運送了許多武器到硫磺島上，包括361門75毫米(或更大)口徑的火炮，12門320毫米口徑的迫擊炮，65門150毫米中型迫擊炮和81毫米口徑的輕型迫擊炮，33門80毫米口徑的海軍炮(naval guns)，94門75毫米(或更大)口徑的高射炮，69門37毫米和47毫米口徑的反坦克炮，200挺20到25毫米口徑的高射機槍，70門火箭炮，帶着從90公斤射程爲2-3公里到250公斤射程爲7公里以上的***。
駐紮在朝鮮釜山的第26戰車聯隊28輛坦克和600士兵向硫磺島進發，雖然中途受到美國潛艇USS Cobia(SS-245)的**襲擊，仍然有22輛坦克到達，安置到戰略要點，半埋在土中，以防止空襲。
雖然受到美國艦艇的攔截，日軍仍然源源不斷地向島上運送，截止1945年2月，日軍在島上陸軍約1.5萬餘人，海軍約7000餘人，共約2.3萬人，飛機30餘架，食品儲備足夠堅持兩個半月，由慄林統一指揮。
日軍在島上的中部高地和元山地區各建有一個機場，分別叫做千島機場和元山機場，也叫一號機場和二號機場，並在二號機場以北建造第三個機場。由於美軍迅速攻佔了馬里亞納羣島，原計劃運往馬里亞納羣島的人員、裝備和物資都被就近轉用於硫磺島，儘管美軍組織飛機、潛艇全力出擊，企圖切斷硫磺島的增援和補給，但日軍以父島爲中轉站，採取小艇駁運的方式，因此美軍的封鎖效果並不理想。
由於日軍的海空軍主力在菲律賓戰役中遭到了毀滅性的打擊，已無力爲硫磺島提供海空支援，硫磺島的抗登陸作戰是要在幾乎沒有海空支援的情況下進行。慄林是出色的職業軍人，曾擔任過天皇警衛部隊的指揮官，他意識到面對美軍絕對海空優勢，灘頭作戰難以奏效，主張憑藉折鉢山和元山山地的有利地形，依託堅固的工事，實施縱深防禦。
當地的火山灰和水泥混合可以成爲非常良好的混凝土，日軍用此建成許多非常堅固的地下工事，爲了防止人員被圍困，每個工事都有許多出口，四通八達，通風良好，大的暗堡甚至可以容下300到400人。日軍還準備建成27,000米的地下通道，連接所有的地下工事，美軍登陸時已經完成了18,000米。
但海軍守備部隊仍堅持殲敵於灘頭，最後慄林做出了折衷的方案，以縱深防禦爲主，灘頭防禦爲輔，海軍守備部隊沿海灘構築永備發射點和堅固支撐點，進行前沿防禦;陸軍主力則集中在折鉢山和元山地區，實施縱深防禦。
慄林忠道決心將硫磺島建成堅固的要塞，以折鉢山爲核心陣地，以兩個機場爲主要防禦地帶，在適宜登陸的東西海灘則是以永備發射點和堅固支撐點爲骨幹的防禦陣地，日軍的防禦工事多以地下坑道陣地爲主，混凝土工事與天然巖洞有機結合，並有交通壕相互連接。
炮兵陣地也大都建成半地下式，儘管犧牲了射界，卻大大提高了在猛烈轟擊下生存的能力。火炮和通訊網絡都受到良好保護，折鉢山幾乎被掏空，築有的坑道工事達九層之多!針對美軍的作戰特點，慄林在海灘前沿地帶埋設了大量**，機槍、迫擊炮、反坦克炮構成綿密火力網，所有武器的配置與射擊目標都進行過精確計算，既能隱蔽自己，又能最大限度殺傷美軍。
唯一不足的是，原計劃元山地區將修築的坑道工事有28公里長，由於時間不夠，當美軍發動進攻時只完成了70%，約18公里，而且折鉢山與元山之間也沒有坑道連接。
慄林一改日軍在戰爭初期的死拼戰術，借鑑塞班島日軍反登陸戰3天內損失3萬人的戰例後主張對美軍搶灘採取不抵抗戰術。直到美軍先頭部隊進入陸地500米再發起反擊，利用隱蔽工事近距離地大量殺傷美軍有生力量。
規定了近距射擊、分兵機動防禦、誘伏等戰術，還嚴禁自殺衝鋒，號召每一個士兵至少要殺死十個美軍。慄林的這些苦心經營，確實給美軍造成了巨大的困難，使硫磺島之戰成爲太平洋上最殘酷、艱鉅的兩棲登陸戰役。