1944年9月12日，美军11艘航空母舰起飞了400架舰载机，伙同从马里亚纳群岛起飞的陆军重型轰炸机一道，开始对贝里琉岛进行狂轰滥炸，猛烈的轰炸持续了3天。在贝里琉岛的海面上美军3艘战列舰，25艘巡洋舰，30艘驱逐舰对贝里琉岛实施猛烈炮击，3天的持续炮击，美军舰艇对贝里琉岛发射了大口径炮弹17万发，炮击之猛烈使得整个贝里琉岛完全被火焰与黑烟笼罩，而美军海军的扫雷艇则在炮火轰击的掩护下，开到距离贝里琉岛岸不到1千米的地方，进行扫雷等作业。

1944年9月15日上午6时15分，美军海军陆战1师的登陆部队在舰炮猛烈轰击的掩护下乘坐水陆两栖战车与登陆艇向贝里琉岛西海岸滩头冲来，美军陆战1师预定在西岸登陆，用2—3天时间控制该岛，当时陆战1师的士兵登上两栖装甲车时，人人都是心情轻松，有说有笑，他们认为美军的炮火早把岛上的日军炸光了，做梦也没料到，美军的炮击没起任何作用，佩里硫岛的日军挖了500多个地洞，构筑了大量难以发现并有壕沟或坑道连接的暗堡，而陆战一师登陆的场地正是日军重点防御的地区。当美军炮火向岛纵深延伸时，日军第14师团步兵第2联队的士兵立即通过壕沟与坑道进入了滩头阵地与暗堡，准备迎接美军的登陆大兵，日军这些训练有素的士兵非常沉的住气，在没有接到开火命令时无一人擅自开枪射击。

当美军登陆艇与两栖装甲车以密集队形开到距离沙滩不到300米距离时，几艘登陆艇与两栖装甲车触响了日军布在浅水里的飘雷，当场人艇(车)粉碎，美军登陆艇立即散开停下，并用机枪向海面可疑漂浮物扫射，并成功射爆了几个水雷，随后美军登陆艇与两栖装甲车继续前进，日军仍然一枪不放，这使得美军更加确信日军早死光光了，美军登上沙滩后，又在沙滩上前进了20米，一直冲到距离日军防波堤30米距离时，防波堤上的日军暗藏火力点才突然同时开火，当时美军毫无防范，立即就被击倒一大片，随后日军的掷弹筒，直瞄炮，迫击炮，手榴弹就铺天盖地的打了过来，美军在如此近的距离遭到突然射击，顿时乱作一团，完全成了活靶子，在这样近的距离遭到突然袭击任何躲闪都是无效的，走在前面的几百名美军当场被日军全部杀伤在沙滩上，后续登上沙滩的美军也毫无思想准备，成打的被日军杀死在滩头，上陆的两栖装甲车也被日军直瞄炮一辆辆的击毁在岸边，日军隐藏在岸边的火力点距离海岸仅仅50米远，这样近的距离日军命中率很高，整个海滩一下就全部堆满了美军的尸体与被毁的装备，海滩附近的海水都变成了红色，海面布满浮尸，沙滩上的美军很快被日军射杀完毕，而搭乘登陆艇的后续部队因前方布满登陆艇与两栖装甲车的残骸，根本无法靠岸，只好在海上另找登陆地点，由于距离日军过近，登陆艇上的美军士兵遭到日军准确枪击伤亡严重，一批美军登陆艇在原登陆地点以西300米靠岸，所载陆战队员还未上岸就有大半已经阵亡和受伤，而美军负担登陆掩护的舰艇对这个没办法，无法开炮压制日军火力点，因为日军与美军距离太近了，这次登陆完全成了屠杀，日军在非常隐蔽的火力点里从容不迫的瞄准每一个还能动的美军进行点射，美军连还击都不知道朝什么地方射击，美军第一波登陆的2个营，有接近一半的士兵没能登上滩头，登上滩头的士兵大部分被日军打死或负伤，最后只得下令撤退，美军第1波登陆就这样以失败结束，参加登陆的部队有超过50%的人员负伤或阵亡，超过1000名美军陆战队士兵阵亡、失踪或负伤，60艘登陆艇，26辆两栖装甲车，3辆坦克被击毁。

美军陆战1师第一波登陆部队竟被打下了海，美军舰队的水兵与军官非常的震惊，不是真的看到谁也不敢相信这些是事实，这贝里琉岛的日军遭到那么大强度的轰击竟还活着，而且还这么凶悍。美军陆战1师的官兵见这样乐观情绪消失了，人 都明白了这个岛根本不是什么防御能力低下可以轻易拿下的小岛，上面分明部署有日军凶悍的精锐部队，2天时间拿下贝里琉岛根本就是做梦，士兵纷纷议论拿下这个岛恐怕需要10天甚至15天的血战

上午8时，美军经过猛烈炮击与轰炸，再度登陆佩里硫，这次美军更换了登陆地点，并且不再对整个岛屿进行漫山遍野的炮击与轰炸，而是重点炮击美军登陆地段的滩头，彻底轰平美军的预定登陆地点以及滩头阵地，使美军登陆部队获得一片安全的滩头，美军这次登陆未在滩头遇到抵抗，这倒不是日军被打死了，而是美军这次登陆的地点正好就是日军防御最弱的区域，这里一马平川周围被高地丘陵包围，日军的阵地在丘陵地里，在开阔地上并无布防，日军步兵第2联队认为，美军不大可能会在这个地形上登陆，因为这里太开阔，在这里很容易遭到周围高地上的火力夹射，很容易被反冲击打下海，但美军偏偏就在这实施了第2次登陆，这次登陆，美军小心翼翼的推进，并很快将8辆M4A2坦克输送上了滩头，美军也同样是担心日军发动反冲击，所以第1时间就把M4A2坦克运了上去，预防日军的反击，为步兵充当移动火力点，而这立即决定毫无疑问是正确的，事实上如果不是及时运了这8辆M4A2坦克上去，美军第2次登陆还是被日军打下海的下场。

美军第2次登陆后，日军很长时间不见动静，美军陆战1师得以将部队与装备一波波的送上佩里硫岛，日军步兵第2联队的中川州男指挥官认为，日军弹药不多，没有条件与美军进行持续火力交战，索性让美军大部队上来，1次就给美军个决定性重创，让美军从此胆寒。当美军选择新地点登陆后，日军得意地笑了起来，美军的登陆地面3面被丘陵与高地围着，而且日军就在丘陵与高地上，美军向岛屿纵深推进并不容易，而且这片空地并不大，美军陆战1师的部队拥挤在这里密度太大，容易被火力毁伤，日军一如果发动反冲击，美军一有闪失整个陆战1师都要报销。此外，美军陆战1师上陆后，美军的舰队不停的炮击美军场地周围的高地，以掩护陆战1师的安全，日军也不能冒险把部队拉到地面上对美军展开反冲击，中川州男大佐命令日军对登陆美军进行监视，同时又下令抽出1支1000人的反击部队，中川州男认为美军的舰炮掩护虽然厉害，但这样高强度的炮击，必然会导致弹药消耗过大而停止，美军虽然有弹药船跟随，但补充弹药需要时间，经过一段时间的密集炮击，美军的舰炮就必然有个间歇过程，这时就是日军把部队拉到地面，打美军下海的最佳时机。

日军步兵第2联队最后决定在15日当天就给美军决定性攻击，但步兵第2联队总兵力只有3200多人，除了步兵第2联队以外，岛上还有海军第45警备队，陆军海上机动第1旅团独立步兵第346大队以及第14师团的战车搜索队，总兵力也不过区区5000人，要确保万一反击失败，还具有足够的守卫兵力，最多只能抽出1000步兵进行反冲击，而美军陆战1师登陆的部队根据观察高达15000人左右，仅靠1000名步兵反冲击15000美军成功，把握并不大，所以统领全岛日军作战的步兵第2联队联队长中村州男大佐决定，发动反冲击时第14师团战车队全部16辆95式轻战车出战，反冲击发动时，战车队的95式轻战车从侧翼高地全速冲入美军营地，沿海岸方向猛冲美军后方，摧毁美军滩头物资，大量射杀美军士兵制造混乱，两翼高地发射火力打击混乱中的美军，随后日军1000步兵正面冲击美军营地，确保一举击溃美军，为了确保反击成功日军还将集中炮火轰击美军营地，步兵第2联队所辖12门105mm山炮，6门75mm山炮，12门150mm迫击炮，12门90mm迫击炮，6门70mm步兵炮，12门81mm步兵炮与独立步兵第346大队的4门75mm山炮，2门81mm步兵炮全部投入轰击。

下午，美军的舰炮轰击停息了，而美军陆战1师向周围高地突破的企图也失败，日军在高地上修筑有大量难以观察到的隐蔽火力点，而且构筑了大量坑道，美军的炮击不起作用，美军数次推进都败了下来，美军发现日军枪法奇准，日军稀稀落落的枪声带来的却是不小的伤亡。愤怒的美军陆战队士兵只得在战壕里架起枪向四周高地胡射泄愤，已经上陆的美军陆战1师炮兵也架起榴弹炮漫无目标的乱轰。日军见美军威力强大的舰炮熄火，感觉机会来了，于是步兵狞笑着从坑道里钻出来，炮兵也从隐蔽巧妙的工事里把大炮摇了起来，至于日军战车早已经进入了出击阵地，日军磨拳檫掌只等令下。随着中川大佐一声令下，日军的火炮同时打响，由于美军阵地拥挤，日军的炮击给予美军极大震撼，炮声一响日军的16辆轻战车呼的一下就从高地后面窜了上来，随即猛虎下山似的从高地上猛冲下来，日军战车开最高速度冲入美军阵地，枪炮齐发，在美军阵地上横冲直撞，美军陆战1师的士兵没想到到小小佩里硫岛的日军居然有坦克!!!都躲入战壕里规避，而日军战车呼啸而过，直插美军后方海滩，很快日军战车就冲到了海滩，海滩上的美军看到日军坦克冲过来，发生了混乱，纷纷逃避，海滩上堆满的作战物资被丢弃，而美军在架起的大炮也根本来不及转动炮口射击从侧面开来的日军轻战车，滩头上美军也发生了混乱，美军的炮兵全部丢下火炮撤退，而日军从正面高地冲来的步兵也已经撕开了美军前沿，眼看美军就要遇到大灾难，海滩上突然出现了8辆美军M4A2坦克，日军95式轻战车对M4A2进行射击，然而95式轻战车的炮弹打在M4上根本无效，海滩上原本慌乱分散的美军看到了自己的坦克也就稳定了下来，经过一场激烈的坦克对射日军16辆95式轻战车被全部击毁，而美军只有1辆M4A2被日军战车击断了履带，美军的M4A2坦克击毁了深入美军后方的日军战车后，火速向前推进，为前沿美军提供火力支撑，海滩上美军也稳住了神，纷纷向前支援前沿，而炮兵重新回到炮位，发射炮弹支持前沿的抵抗，日军反击的步兵见美军逐渐稳定了下来，美军的抵抗兵力越来越多，火力也越来越猛，继续向前突破非常困难，立即请示中川大佐要求撤退，中川见不对立即下令停止反击，训练有素的日军在火炮掩护下迅速撤回，伤亡并不大，日军反击失败，按照以往的经验，美军很快就能打开局面，因此美军陆战1师上上下下都松了口气，然而在佩里硫这个经验并不灵验，实际上美军还要在贝里琉恶战5个多月才能掌握岛上局势。

日军反冲击失败后，稳住阵脚的美军陆战1师开始对贝里琉岛的纵深猛烈攻击，然而美军发现这岛的日军实在厉害，冷枪手无处不在，美军的冲击根本没办法，海军的战舰补足了炮弹全力配合冲击效率也不大，2天陆战1师竟只推进了200码，美军改变策略，不再进攻正面高地改为进攻侧翼高地，很快发挥作用，美军陆战1师逐步取得些进展，1944年9月18日美军打到岛上的机场，然而日军抵抗越来越激烈，美军前进一步都困难，美军抵达机场后，立即就进驻了飞机，然而这个机场美军并没有完全控制，只完全控制了几百米的跑道，美军飞机起飞降落都遭到日军的枪击，美军飞机起飞时就开始用机枪扫射，刚离开跑道就扔凝固汽油弹，这种场面在此前是闻所未闻，在太平洋战场上这也是绝无仅有的场面。

美军陆战1师在第1个星期的战斗中伤亡就达到4000人，不过日军的弹药并不充分，所以陆战1师仍然能够坚持，到了9月20日，美军陆战1师仍然在机场与日军对峙，美军上下都感到没办法。9月22日在帕劳主岛的日军第14师团决定向贝里琉派发援军，当天下午10时三十分第14师团步兵第15联队第3大队1个中队250人从主岛搭乘海上机动第1旅团输送队第1中队的6艘舟艇先行出发，23日上午5时竟奇迹般的冲过美军封锁线在贝里琉岛登陆成功，只伤亡了14人。9月23日晚8时30分第14师团步兵第15联队第3大队主力以及500名搬运工共计1200人携带大量补给物资前往贝里琉岛登陆，但中途被美军发现，日军携带的补给品全数被毁，只几百步兵携带少量弹药与贝里琉日军汇合。此后由于美军加强巡逻，帕劳主岛日军再也无法给予贝里琉岛任何支援了，但美军在贝里琉岛仍长期无进展。

由于贝里琉岛战役持续无进展，美军又在1944年9月23日把陆军第81师321团也投入了贝里琉岛，也就在这一天美军总算是占领了整个机场，但机场旁边的高地仍为日军控制，美军飞机仍然是在枪林弹雨里起飞着陆，离开跑道就丢炸弹。由于美军在登陆贝里琉岛之前，已经下达了放弃登陆帕劳的命令，尼米滋攻击帕劳群岛的作战等于是废弃了，美军最后执意夺取帕劳群岛，作战意图就变成了支援菲律宾作战的战役，利用夺取的帕劳群岛航空基地，为登陆莱特岛提供支援，但在贝里琉打成了僵局，别说什么支援莱特岛登陆了，这眼看这就要扯美军菲律宾战役的后腿了，美军大量的战舰与弹药被牵制在了佩里硫岛，成了个扯后腿的鸡肋，至于打帕劳主岛美军更是彻底失去了信心，想都不去想了，有趣的是当初进攻帕劳的战役，美军就命名为僵持行动，在佩里硫真的打成了僵持行动。

美军占领机场后打到10月仍无明显进展，美军陆战1师组织了一些攻势，取得了有限的进展，但脱离舰炮支援后又僵持住了，虽然日军又组织了大的反冲击一度打的美军陆战1师节节败退，但美军空前的海空火力支援，加上陆军81师321团的援助，最后还是帮助美军陆战1师稳住了防线，于是美军与日军进入拉锯状态，日军打不走美军，美军也奈何不了日军，这时的贝里琉战役真的成了扯美军后腿的战役，已经打乱了美军登陆莱特岛的计划，而到了10月中旬麦克阿瑟实在等不及了，决定不管贝里琉岛，把舰队撤了，并干脆宣布10月12日美军已经结束了贝里琉战役，并于10月20日发动了登陆莱特岛作战，这时关于贝里琉到底该怎么办，美军内部又起了争论，一部分人认为，贝里琉岛战役本来就是多余的，应该从贝里琉岛撤军，趁早结束这个早就被放弃了的战斗，但大部分人认为，贝里琉岛应该坚决打到底，因为为了这个岛美军已经付出了太大的伤亡代价，就这样结束，那么前面付出的所有牺牲与代价就全部浪费了。最后达成共识，这个战役或许根本就不应该去打，但既然已经付出了太大的代价，那么就不能白付，要用任何代价打到底是贝里琉的命运就这样被决定了。

美军坚决要完全打下佩里硫，依靠现有兵力已经做不到，所以美军决定将81师主力以及炮兵部队也投入佩里硫岛，这样美军完全拿下佩里硫岛就有了可能，美军依托巨大的兵力优势与物资优势，靠火焰喷射器，炸药，炮弹，炸弹以及大量的步兵，一码一码的推进，一个洞一个洞的打、烧、炸，没日没夜的与日军拼命，而日军到了11月弹药基本耗尽，1944年11月8日，中川州男大佐认为，佩里硫守不住了，给第14师团发出电报，声称弹药已经基本耗尽，多数士兵已经断弹，根本无法正常作战，决定组织玉碎冲锋，但遭第14师团司令部的拒绝。11月22日，美军冲到了中川大佐步兵第2联队指挥部附近，当天上午7点40分，中川大佐发电第14师团司令部，中川报告了战况并指出电池已经快耗尽，这可能是最后的诀别，另外告知步兵第2联队的军旗已经妥善处置，机密文件已经销毁。

11月22日当天美军对中川的指挥所发动了总攻击，动用了大量的火焰喷射器与凝固汽油弹，激战到11月24日下午，指挥所的日军守备部队伤亡严重，弹药耗尽，已经无力阻止美军的攻击了，下午16点中川州男最后发电第14师团司令部，表示将成为凋谢的樱花。烧掉军旗和机密文件后切腹自杀，并因此役于死后被连升两级，成为陆军中将。中川在守备贝里琉岛的过程中获得日军守备总部的十一道慰问状以及全军通报陆海军最高指挥官的感谢状，很是风光。死后连升两级也是异类——冲绳守备司令牛岛满死后也只晋升了一级。当天晚上中村大佐命令还有行动力的日军逃离指挥所，随后中村大佐自杀，随同自杀的还有60名无法行动的伤兵，从此佩里硫岛上的日军失去了有组织的抵抗。

11月27日美军正式宣布完全占领贝里琉岛，实际大规模作战73天，并宣布日军贝里琉守备队全灭，仅160人被俘。但岛上扫荡残余日军的战斗仍在激烈进行，在12月底美军发动大规模的全岛扫荡，扫荡岛上展开游击战的日军小股士兵，一直持续到1945年2月才算是战事平息。但岛上仍有日军零星出没，由于1945年1月以后，贝里琉岛成为囤积美军供应菲律宾作战的物资囤积地，而新部署贝里琉的美军陆军部队缺乏战斗经验，日军零星残余士兵得以偷窃美军作战物资生存，并利用美军武器进行装备，小规模的游击破坏时有发生，美军因后续战事繁忙也无暇再派精锐部队来剿，而当地美军对此股日军展开过多次围剿，但始终效果不大，致使该岛一直有零星战斗，1945年8月战争结束后，这些零星日军由于无法接到停战命令，也不相信美军的喊话仍在岛上进行游击战，美军因战后大裁军实在难调集重兵围剿，而且部署岛上的部队也大大减少，导致长期存在日军的游击队破坏，1947年4月，美国把原日军少将澄川请到贝里琉，澄川少将携带终战命令进入贝里琉山区，最后找到了仍然在该岛打游击的残余日军，并成功的说服了这些日军出来缴械，当月21日以山口永少尉为首的34名武装日军来到贝里琉美军营地，并运到帕劳主岛举行了缴械仪式为长达3年贝里琉战斗划上了最后的句号。