美军在占领硫磺岛后，计划从日本本土西南突破其内防御圈，以完成北起阿留申群岛，中经硫磺岛，南至冲绳岛的对日本本土的战略包围态势。
日军在菲律宾群岛失败后，判断美军在进攻日本本土前，必先在冲绳岛及其附近岛屿登陆。冲绳岛一旦失守，朝鲜和中国沿海一带海域的制空、制海权必将落入美军手中，日本本土也将彻底暴露在美军的打击范围之内，因此，冲绳岛成为日本必须确保的最后堡垒。早在1944年秋，日军第32集团军司令官牛岛满中将就根据日本大本营的指示，拟定了确保冲绳岛中部（包括读谷和嘉手纳两个机场）和南部，并在海岸地带与美军进行决战，歼灭登陆美军的作战方针。
3月23日晨，美第58航母特混编队突然袭击了冲绳岛，并就此拉开了对冲绳岛实施预先火力准备的序幕。
3月24日～25日，美军第58航空母舰编队出动舰载机广泛压制冲绳岛日军的防御设施。3月28日、29日再次袭击日本九州地区。美军第52特混编队的支援护航航空母舰大队，于3月26日到达冲绳岛附近海区，从3月29日起，美护航航空母舰的舰载机对岛上的读谷和嘉手纳机场实施了袭击。3月30日、31日美第58航空母舰特混编队又袭击了千绳岛。3月26日、27日和31日，第57特混编队（英海军航母编队）袭击了先岛群岛东部的宫古岛日军机场。美第58特混编队的大型舰只和第54特混编队于3月24日至31日对冲绳岛实施了舰炮预先火力准备和直接火力准备。在此期间，美军在登陆海区和邻近海区开始了扫雷和水下爆破作业。美军共发现6个水雷场，清除了180多枚水雷，扫清了登陆航道，并清扫海区2500平方海里，为登陆作战创造了有利的条件。
3月26日，美第77步兵师第一梯队的5个步兵营，分别在庆良间列岛的阿嘉岛、庆留间岛、外地岛、座间味岛和屋嘉北岛突击登陆。至3月29日日暮时，美军已全部占领庆良间列岛，并建立起了支援冲绳岛登陆作战的水上飞机基地和舰队停泊及后勤补给基地，完成了冲绳岛登陆作战的第一步。
3月31日，美军的坦克登陆舰和中型登陆舰，输送第420野战炮兵群的2个155毫米加农炮营（24门火炮）在庆伊濒岛登陆，未遇抵抗即占领全岛。庆伊懒岛距美军的主要登陆地段羽具歧海滩约18公里，距冲绳岛南部的日军防御重地那坝市约13公里，部署在该岛的155毫米加农炮能有效地控制上述两个地区，有力地支援美军的登陆和陆上作战。至此，美军登陆作战的第二步也告完成。
在美军夺取登陆海区制空、制海权的过程中，日本海军联合舰队司令长官丰田副武命令于26日实施“天”号作战。从3月28日到31日，日军共出动各种飞机870架次，用于攻击冲绳岛附近海区的美军舰船，但由于日军未能按时完成准备，使“天”号作战丧失了战机。
1945年4月1日8时30分，是美军在冲绳岛的突击登陆时刻。在美军的整个突击登陆过程中，只遇到日军零散的炮火还击，并未遇到任何有力的抵抗，因此进展十分顺利。从4月5日起，冲绳岛作战已基本转入陆上战斗，日军的抵抗逐渐增强，陆上战斗进入激烈阶段。
日军大本营为了配合岛登陆军的抵抗，从4月6日起组织了航空兵“菊水作战”和联合舰队“特攻作战”。从4月6日到6月22日，日本海军航空兵共组织了10次“菊水作战”，共出动飞机约3742架次。同时，日军航空兵也频繁地实施了小规模攻击，共出动飞机约4109架次。美军预先估计到日军可能以陆海军飞机，特别是自杀飞机对冲绳岛海域的美军舰船实施攻击，遂以航空兵控制日本本土和台湾的各机场，并以登陆区为中心组织了16个雷达哨位，加强警戒。日军组织的这次航空兵“菊水作战”共损失飞机2258架。日军报道，击沉、击伤美军舰艇约404艘（实际沉没34艘、受伤368艘，美军巡洋舰以上舰艇没有1艘被击沉）。
在空中进行自杀性攻击的同时，日本海军联合舰队以残存的海军主力第2舰队（战列舰“大和”号、巡洋舰“矢矧”号和驱逐舰8艘）组成海上特攻舰队，突击冲绳岛停泊场的美军舰船。4月6日，该舰队在伊藤整一海军中将率领下，从日本内海出航，经丰后水道南下时被美军潜艇发现。4月7日晨，经大隅海峡西行时，又被美军侦察机发现。美军第58航母特混编队出动300架飞机，于7日12时32分至14时，对该舰队实施了多次攻击。结果“大和”号中10枚鱼雷和5颗炸弹后，沉没于九州西南约50海里处，同时被击沉的还有巡洋舰“矢矧”号和驱逐舰4艘。此战后，显赫一时的日本海军已不复存在。
在此期间，美第3陆战军的2个陆战师向冲绳岛北部顺利推进，于4月21日全部占领了该岛北部和伊江岛。陆军第24军的2个师向南进攻，克服了日军的顽强抵抗，于4月24日突破日军在岛上的主防线牧港防线，5月31日突破首里防线，6月22日突破该岛南部的最后一道防线。同一天，日军守岛司令官牛岛满中将和他的参谋长一起剖腹自杀。尔后，美军在岛上转入肃清残敌的行动。至6月30日，岛上战斗基本结束。7月2日，美军正式宣布冲绳岛战役结束。
冲绳岛登陆作战使美军取得了最后进攻日本本土的海、空军基地。但也应该看到，日军在冲绳岛的防御作战，使美军认识到了在日本本土发起登陆作战的艰巨性，拖延了美军进攻日本本土的时间，为日本本土的防御争取了时间。
