拿下南端之後，美軍集中全力向硫磺島北部推進。北部日軍由慄林本人親自指揮，激烈的抵抗使美軍陸戰5師傷亡超過75%，陸戰4師的傷亡也超過了一半。在太平洋戰爭中，美軍第一次向日軍指揮官發出了勸降書。勸降書是陸戰4師師長克利夫頓·凱茲少將寫給慄林忠道和第109師團下屬第145聯隊聯隊長池田大佐的。在這封勸降書中，美軍對慄林忠道的防禦指揮和戰鬥精神表示了敬意，但是嚴肅指出硫磺島日軍已經陷入絕境，繼續抵抗下去毫無意義，只能白白浪費日軍士兵的生命，勒令日軍停止抵抗，立即投降，戰俘會得到《日內瓦公約》所規定的人道主義待遇。然而，日軍的瘋狂不是美國人所能想象的。從未簽署過《日內瓦公約》的日本人對“投降”毫無概念，只有武士道精神會支撐他們戰鬥到死。對於慄林忠道來說，更有作為“帝國軍人”的榮譽感讓他不能放棄抵抗。
3月16日，西竹一中佐到了最後關頭。坦克損失殆盡後，他率700多名部下堅守一條岩石峽谷，拖住美軍整整一週。對面的美軍陸戰3師得知阻擊他們前進的日軍指揮官是西竹一，許多官兵一時感情複雜。1932年的洛杉磯奧運會上，西竹一縱馬跨欄的英姿打動了美國人，現場數萬美國觀眾曾一齊高呼“Baron Nishi（西男爵）”為他加油。他還是好萊塢女明星的座上賓，洛杉磯市的榮譽市民，很多美國人對他記憶猶新。美軍安放高音喇叭向峽谷喊話：“這個世界將為失去馬術領域中的西男爵而感到惋惜！”西竹一始終拒絕投降。當天，西竹一戰死，屍體未能找到。事後有日軍戰俘聲稱曾親眼見到過西竹一的屍體，一手握著手槍，一手緊握那根伴隨他獲得奧運金牌的馬鞭。而在他死後一週，那匹名駒“天王星”也因病而死，追隨主人同去。
死於硫磺島的日本奧運獎牌獲得者並不只他一個。同一天，1932年洛杉磯奧運會男子100米自由泳銀牌獲得者河石達吾中尉在島上陣亡。龜縮在硫磺島東北部頑抗的800多名日軍全部被消滅。當天傍晚6點，美軍正式宣佈：已經佔領硫磺島。
島上的戰鬥還沒有結束。慄林被美軍逼到硫磺島北端一片不足2平方公里的狹小地域，他率殘餘的日軍在這裡做最後的抵抗。3月16日晚，慄林向日軍大本營發出訣別電報：“戰局已臨最後關頭，卑職人在前線，祈禱皇國必勝及安泰，目下彈盡兵寡，決作孤注一擲，粉身碎骨，以報皇恩。謹率領士卒，高呼聖皇萬歲，籍此永訣。”然後，他下令銷燬密碼本，焚燒軍旗。
3月21日，日本裕仁天皇宣佈晉升慄林忠道為陸軍大將，53歲的慄林成為日軍中最年輕的大將。也就是這一天，硫磺島與東京的通訊聯絡完全中斷。
3月25日，粟林向傳令兵下達了最後一道命令：設法通知島上仍在抵抗的每一名日軍，於夜間攜帶武器到三號機場附近的山區集合。集合起來的日軍僅剩350餘人，慄林忠道對他們說的最後一番話是：戰局已到最後關頭，我軍於今夜發動總攻。人人都要戰死，而本人，將始終站在諸位前面。
3月26日凌晨，粟林親自率領這350名日軍向二號機場發起自殺衝鋒。疏於防範的美軍被打得措手不及，不少陸戰隊員尚在睡夢中就被日軍用刺刀殺死。回過神的美軍迅速展開火力網，將日軍全殲在機場前沿。3小時後戰鬥結束，美軍傷亡175人。天亮後打掃戰場，美軍共找到完整的日軍屍體250具，其中並沒有慄林忠道的。有人說慄林忠道在自殺衝鋒時被美軍的機槍打死，也有人說他是在受重傷後剖腹自殺。後來有日軍戰俘聲稱聽到過慄林吩咐“不要讓我的屍體落到美國人手裡”。無論如何，慄林忠道就此死去。當天早上8點，美軍正式宣佈：硫磺島戰役完全結束。
硫磺島戰役歷時5個星期，2.3萬人的日軍守備隊幾乎全部戰死，另有數百人被俘。而美軍的傷亡竟然高達2.8萬人，其中陣亡6800多人，美日傷亡比達到1.23:1。這樣的傷亡比例，在太平洋戰爭中絕無僅有。至於兩棲作戰中登陸方的傷亡超過抗登陸方，在太平洋戰爭中更是絕無先例。日軍沒有海空支援，也沒有增援補給，在慄林忠道的指揮下，利用堅固工事和消耗戰術，最大限度的遲滯和殺傷了美軍，使美軍在付出極大代價之後才拿下硫磺島。原計劃5天攻克，實際卻用了整整36天。從純軍事的角度來說，硫磺島戰役堪稱是抗兩棲登陸作戰的典範。
美軍為硫磺島付出的代價的確是太過巨大了。參戰3個陸戰師傷亡都在60%以上。比如陸戰4師，僅陣亡就達1800多人，硫磺島戰役後直接撤回夏威夷休整，直到日本投降，再也沒能重返前線。陸戰5師那六位在折缽山頂升起星條旗的英雄，只有三個人活著離開硫磺島。
他們的犧牲並沒有白費。早在3月3日，就有一架C-47運輸機在硫黃島一號機場降落。3月4日，一架在空襲日本本土時受傷的B-29轟炸機在硫黃島緊急迫降，硫黃島的價值開始顯現。美軍工程兵對兩座機場進行了擴建，成為B-29的應急備降機場。同時機場還進駐了戰鬥機，美軍佔領硫黃島後不到三週，P-51“野馬”戰鬥機編隊就從硫磺島機場起飛，為白天轟炸東京的B-29提供全程護航。到戰爭結束時，累計有2.4萬架次受傷或燃料耗盡的B-29在硫磺島緊急降落，這些飛機上的2.7萬名空軍人員生命得到挽救。對日本本土戰略轟炸的效果也提高了一倍以上，日本的戰爭能力日趨枯竭。
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