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硫磺岛上激战正酣，美军猛烈进攻，日军死战不退。
6月21日，日军航空舰队在硫磺岛海域出现。一艘日军潜艇在游弋中发现了美军航空舰队的具体位置，并立即向小泽治三郎报告。日军航空舰队在小泽治三郎的命令下快速前进，准备发起攻击。双方舰队的距离很快接近到400公里以内，此时美军的舰载侦察机已经发现了日军航空舰队。双方舰队的航空力量经过补充，都恢复到了齐装满员状态。虽然此时双方舰队的航母数量都是10艘，但舰载机的数量差距较大。日军航母两艘翔鹤级、大凤号、信浓号、6艘云龙级，舰载飞机630多架。美军航母10艘埃塞克斯级，舰载飞机1000多架。为了能够以少胜多，小泽治三郎的对策是在此次出征的航母上取消俯冲轰炸机的配备，增加战斗机的数量和比例。所以在日军的630多架舰载机中，除了100多架天山式鱼雷机以及数量很少的侦察机，其余都是“紫电改”战斗机。
小泽治三郎抢先发动进攻，而且是将630多架舰载机一起投入战斗。日军第一波飞机起飞后暂时在己方舰队上空盘旋，等待第二波飞机升空。日军两波飞机在空中会合后，一起进攻美军舰队。日军630多架舰载飞机向美军航空舰队杀来。美军的舰载机虽然有1000多架，但也要分两波才能全部出动。在哈尔西的命令下，美军第一波起飞的都是战斗机。美军500多架战斗机从10艘埃塞克斯级航母上起飞升空，迎战日军机群。日军530多架“紫电改”战斗机和美军500多架F-6F、F-4U战斗机在空中展开激烈交火。双方战斗机的数量差不多，飞行员素质也差不多，但日军战斗机的性能更好。即便有美军军舰的防空火力支援，美军战斗机在混战中被击落的数量还是比日军战斗机更多。当美军500多架战斗机全部损失后，日军战斗机还剩130多架。
日军100多架天山式鱼雷机开始发射450毫米鱼雷。虽然美军舰队的防空火力并不弱，但日军鱼雷机在发射鱼雷时离目标的距离还比较远。所以大部分日军鱼雷机能够将携带的鱼雷发射出去。几十枚450毫米航空鱼雷在水中高速运动，重点攻击美军航母。几艘美军巡洋舰、驱逐舰被鱼雷击中，很快沉没。美军航母伦道夫号、邦克山号、安提但号、香格里拉号、张伯伦湖号，在躲闪中都中了好几枚鱼雷。剧烈的爆炸中，美军这5艘埃塞克斯级航母的船舷装甲被撕开，海水猛烈灌入，船身很快发生大幅度倾斜。在不断的爆炸和进水中，这5艘美军航母相继沉入大海。到返航时，日军鱼雷机损失了一半，战斗机还有100多架。
美军剩下的5艘航母上，100多架F-6F、F-4U战斗机和200多架SB2C俯冲轰炸机、TBF鱼雷机在完成加油添弹后从甲板上起飞，在空中完成编队集结后杀向日军舰队。此时日军第一波攻击后返航的100多架“紫电改”战斗机和50多架天山式鱼雷机也已经加油添弹完毕。舰载雷达发现美军机群后，日军这150多架飞机快速起飞升空。双方战斗机在空中激战。日军和美军的战斗机数量基本相当，但战斗机性能是日军占优。当美军的100多架战斗机全部拼光后，日军战斗机还剩30多架。日军鱼雷机继续杀向美军舰队，日军战斗机开始猎杀美军俯冲轰炸机、鱼雷机。一架又一架的SB2C、TBF被“紫电改”战斗机的20毫米机炮打的起火、爆炸。尽管如此，依然有50多架美军俯冲轰炸机和鱼雷机逼近日军舰队。
日军军舰的127、100、57、25毫米高射炮纷纷开始射击。美军50多架俯冲轰炸机和鱼雷机冒着日军舰队的高射炮弹雨投掷炸弹、施放鱼雷。日军航母大凤号、信浓号接连被炸弹、鱼雷击中。大凤号、信浓号的飞行甲板上不断响起重磅炸弹的爆炸声，被炸开几个大窟窿。大凤号、信浓号的船舷甲板在鱼雷攻击下发生崩溃，海水如潮般拥入。大凤号、信浓号在大量进水后发生严重倾斜，逐渐沉入大海。美军俯冲轰炸机和鱼雷机被日军战斗机的机炮和军舰的高射炮全部消灭。日军50多架鱼雷机逼近美军舰队后，冒着美军军舰的防空火力施放鱼雷。美军航母本宁顿号、拳师号被多枚鱼雷击中，船舷装甲被炸开，海水大量涌入。本宁顿号、拳师号在倾斜中相继沉没。日军鱼雷机有20多架被击落，剩下20多架返航。损失了全部舰载机的哈尔西赶紧下令撤退。舰载机所剩无几的小泽治三郎也下令返回菲律宾。
6月24日，小泽治三郎率领日军航空舰队进入硫磺岛海域。美军舰载侦察机向哈尔西报告发现日军航空舰队。紧接着，日军舰载侦察机也向小泽治三郎报告发现美军航空舰队。此时双方舰队的航空力量当然都已经补充到齐装满员。日军8艘航母，舰载飞机540多架。美军3艘航母，舰载飞机300多架。哈尔西和小泽治三郎都下达了进攻命令。美军和日军的第一波飞机开始起飞，在空中集结完毕后杀向对方舰队。美军第一波飞机包括60多架战斗机、40多架俯冲轰炸机、40多架鱼雷机，共150多架飞机。日军第一波飞机包括100多架战斗机、80多架俯冲轰炸机、80多架鱼雷机，共270多架飞机。
美军60多架F-6F、F-4U战斗机和日军100多架“紫电改”战斗机展开混战。数量、飞机性能都处于劣势的美军战斗机很快全部损失。日军战斗机损失30多架。剩下的70多架日军战斗机开始攻击美军俯冲轰炸机、鱼雷机。80多架SB2C、TBF很快被击落大半。美军10多架SB2C、TBF冲到日军舰队上空后发动攻击。日军航母生驹号被多枚炸弹、鱼雷击中，接连发生爆炸，倾斜着沉入大海。这10多架美军俯冲轰炸机、鱼雷机很快被全部击落。日军80多架慧星式俯冲轰炸机抵达美军舰队上空后投掷炸弹。美军航母提康德罗加号、胡蜂号、汉科克号被几十颗500公斤炸弹击中。这3艘美军航母的飞行甲板上不断响起巨大的爆炸声，甲板上的飞机在爆炸、燃烧，弹药库被引爆。在剧烈爆炸和熊熊烈火中，提康德罗加号、胡蜂号、汉科克号逐渐沉没。
日军80多架天山式鱼雷机冒着美军舰队的防空炮火发射鱼雷，重点攻击美军战列舰新泽西号、威斯康星号。美军这两艘衣阿华级战列舰中的鱼雷数量都在10枚以上。威斯康星号的右船舷装甲被击穿几个大洞，几组锅炉被爆炸撕成碎片，快速进水，缓慢沉入大海。新泽西号是哈尔西的旗舰，左船舷装甲被击穿几个大口子，连续发生剧烈爆炸，在倾斜中快速沉没。新泽西号上的大部分美军官兵葬身大海，其中包括哈尔西的参谋长卡尼。哈尔西狼狈登上了一艘救生艇，然后转移到附近的一艘美军驱逐舰上。在这一波攻击中，日军的俯冲轰炸机、鱼雷机损失了60多架。哈尔西赶紧下达撤退命令。小泽治三郎率领日军舰队追杀，击沉10多艘美军军舰。
6月25日，珍珠港，尼米茨的司令部。
一名参谋向尼米茨报告：哈尔西的舰队已经损失了全部航母和战列舰。尼米茨感到非常震惊，知道攻占硫磺岛的企图已经无法实现，立即命令进攻硫磺岛的美军赶紧撤退。硫磺岛上的美军地面部队停止进攻，开始撤退，企图登上己方船船逃跑。硫磺岛上的日军地面部队在栗林忠道的指挥下开始反攻。小泽治三郎的日军航空舰队也对停泊在硫磺岛附近的美军舰队发起进攻。撤退的美军在日军的追杀下损失惨重。最后只有包括哈尔西在内的1万多美军逃回塞班岛。硫磺岛战役以日军的大胜结束，消灭的美军超过10万。此战美军损失军舰300多艘，其中包括16艘舰队航母、8艘战列舰、12艘护航航母。日军损失军舰50多艘，其中包括6艘航母。
6月28日，华盛顿，白宫。
杜鲁门：“硫磺岛战役打输了，我们攻取硫磺岛的企图破产了。这一仗我军损兵折将超过10万，这暂且不说，此战出征的16艘舰队航母和8艘战列舰居然全部沉没。哈尔西真是昏聩无能、误国误军！”
莱希：“总统息怒。”
杜鲁门：“哈尔西现在何处？”
莱希：“已被尼米茨召到珍珠港。”
杜鲁门：“枪毙哈尔西！”
莱希：“总统……”
杜鲁门：“闭嘴！”
在杜鲁门的命令下，哈尔西在珍珠港被执行枪决。
6月29日，山本五十六获得元帅称号（日本的元帅是荣誉称号，不是军衔），小泽治三郎晋升大将。