冲绳岛为琉球群岛的第一大岛，日军在那里筑有良好的机场和港口，距九州仅约340海里，是从西南方向掩护日本本土的重要屏障。因此，日军大本营在马里亚纳群岛失守后就开始加强冲绳岛一带的防御，将牛岛满中将指挥的陆军第32军部署在该地区。牛岛以第9、第24、第62师团和第44独立混成旅团防守冲绳本岛，并全力修建机场和在机场周围构筑工事。他准备首先以海上特攻行动和空中袭击来削弱进攻之敌，尔后集中数百门火炮实施反击，将敌登陆兵消灭于海岸地带。
可是，盟军开始进攻菲律宾后，精锐的第9师团被调离冲绳。牛岛甚为不满，以兵力不足为由，决定放弃建有机场与防御工事的冲绳北部和中部地区，将防线收缩到南部，以进行持久战。而且把作战方针改为依托岛上的坚固筑垒阵地实施陆上决战，不再准备歼敌于水际滩头。盟军开始进攻前，防守冲绳岛的地面部队为陆军的2个师团和1个旅团，以及海军的警备队和陆战队等，共约10万人。
为了支援岛上的防御，日海军准备随时派遣舰艇部队驶往冲绳。还将能够投入的陆、海军航空兵分别部署在台湾、琉球、九州等地，以便在盟军进攻冲绳岛时对其登陆输送舰船和海上舰队进行攻击。此外，在冲绳岛及其邻近岛屿还配置一个鱼雷艇队和数个由敢死队员驾驶的自杀艇艇队，以开展水上和水中的特攻作战。
美国太平洋战区总司令尼米兹于1944年10月就根据最高统帅部的意图，决定于1945年春夺占硫磺岛之后开始进攻冲绳岛，以便形成对日本本土的战略包围态势，并以“冰山战役”作为这次作战的代号。尼米兹将军指派第5舰队司令斯普鲁恩斯出海担任这次战役的总指挥。
登陆编队以1200余艘各种舰艇组成，其中包括179艘登陆兵运输舰和登陆物资运输舰，以及187艘坦克登陆舰，由特纳海军中将统一指挥。登陆编队遣送的登陆兵，是巴克纳陆军中将指挥的第10集团军，下辖8个师，不包括第81师共为18万余人。为登陆编队提供空中支援，主要由米切尔海军中将指挥的快速航母特混编队负责。另有一部分英国军舰也参加了这次战役。
为了封锁冲绳地区，消除来自日本本土对美登陆编队的威胁，米切尔率其快速航母特混编队于1945年3月14日从乌利西锚地出航北上，3月18日和19日对九州地区的机场以及濑户内海的日本舰船进行多次空袭。有17艘日舰被击伤，起飞进行反击的193架日机中有161架没有返航，还有一些日机被击毁于地面上，使日军在4月6日以前不能大量地派出飞机去支援冲绳地区的防御。但米切尔编队也付出了不小的代价。除损失116架舰载机外，“富兰克林”号航空母舰遭到重创，“企业”号、“约克城”号和“黄蜂”号3艘航空母舰受到轻伤。
3月20日，这支航母编队转向南进；22日与补给大队会合，进行海上加油；23日驶抵冲绳群岛以东约100海里水域，开始对冲绳本岛及其邻近岛屿实施预先航空火力准备。
参加这次战役的英国海上编队，在罗林斯海军中将率领下，于3月18日从阿德米勒尔提群岛的马努斯岛起航，20日到达乌利西锚地，23日离开该地继续向西北航进。在3月26日至31日期间，对宫古岛一带机场进行了袭击，以阻止日军从台湾和先岛群岛对冲绳守备部队进行支援。这样，美、英两支航母特混编队在战役开始之前，已从北南两个方向把冲绳地区孤立了起来。
登陆编队中的一支火力支援部队，在布兰迪海军少将指挥下，自3月23日就开始对冲绳岛的有关接近航路进行扫雷，接着又从护航航空母舰上派出舰载机轰炸冲绳各目标。另一支火力支援部队在戴约海军少将指挥下，于3月26日进入已扫过水雷的冲绳水域，开始实施舰炮火力准备。
美军的舰艇和飞机正对冲绳本岛实施火力准备，牵制住日军的主力时。一支登陆输送队在吉兰海军少将率领下，于26日上午遣送布鲁斯少将指挥的陆军第77师，在冲绳岛西南约距15海里的庆良间列岛登陆。这些小岛上的防御兵力薄弱，美军至次日就将其全部控制。还缴获了携带深水炸弹的特攻艇250余艘。
在这个列岛中的最大海岛及其以西的5个小岛之间有个庆良间海峡，两个出入口皆可布设网栅障碍，在其中可停泊75艘大型舰船，是个良好的锚地。
自3月27日就有供应舰、油船、军火船、修理舰等后勤辅助舰船陆续开进庆良间海峡锚泊。这样一来，就把一个能够进行补给和小修的后勤基地推进到作战海域内。3月31日，美军又占领了庆良间列岛和冲绳岛之间的庆伊濑岛，并在岛上设置了155毫米火炮，以便支援进攻冲绳本岛的突击上陆战斗。
参加进攻冲绳本岛的登陆部队，随着各登陆输送队分别从旧金山、西雅图、瓦胡岛、新喀里多尼亚岛、圣埃斯皮里图岛、瓜达尔卡纳尔岛、塞班岛、莱特岛等地出发，于4月1日凌晨抵达冲绳岛附近。海军陆战第2师所属部队首先在冲绳岛南部的东南海岸登陆，实施佯攻，以便将抗登陆兵力从主要登陆地域诱开。
主要登陆地域选择在嘉手纳地区的西海岸。海军陆战第6师和第1师，以及陆军第7师和第96师自北向南依次在各自的规定水域内进行换乘。8时许，在舰炮和航空火力的直接掩护与支援下。上述各师分编为若干艇波开始向岸滩突击。
此外，陆军第27师作为留船待命预备队，第77师占领庆良间列岛等地后也担任预备队的任务。第81师作为整个战役的总预备队，暂在驻地待命，准备随时出发。
从嘉手纳西海岸登陆的4个师，只受到轻武器和迫击炮的轻微抗击。登陆日当天就有5万名登陆兵以及大批坦克和火炮上岸。先头部队迅速夺占了登陆地域附近的嘉手纳机场和读谷机场，建立起正面14公里、纵深5公里的登陆场。自4月2日开始，部分登陆兵首先横跨该岛，挺进到东海岸，将该岛拦腰切断。此后，陆军第27师和96师向南推进，海军陆战第1师和第6师向登陆地域以东和东北方向挺进，迫使日军防线逐步后撤。4月6日，日联合舰队派出的海上特攻部队从濑户内海出击，前去支援冲绳的防御战，行至中途遭美舰载机围歼。
向该岛东北发动进攻的美海军陆战师，未遇顽强抵抗，至4月18日就已完全占领了冲绳岛的北部地区。21日，攻占庆良间列岛的第77师又占领了该岛西海岸附近的伊江岛。但向南部进攻的第7师和第96师却进展缓慢，遇到愈来愈激烈的抗击。留船待命的第27师被投入南线的进攻后，日军的外围防御地带始被突破。
4月19日，登陆兵已迫近牛岛的主要防御阵地，攻防双方处于僵持状态。美军重新调整了部署，将攻占北部地区的海军陆战师调换到南线，以加强攻势。牛岛组织守备部队于5月4日大举反攻，结果失利，遂收缩阵地。5月底，登陆兵在舰炮火力的直接支援下，沿东西海岸向前推进，开始从两翼包围日军的主要筑垒地域。6月4日，一部美军又在日军背后登陆，使其首尾不得相顾。此后，美军的进攻速度加快。至6月22日，守军的最后一道防线终被突破，牛岛满及其参谋长等人剖腹自杀，日军停止了有组织的抵抗。但对其残余部队的清剿，直到6月底才告结束。
在整个战役过程中，日军始终以航空兵力拼命组织反击，尤其是竭力使用自杀飞机实施特攻作战。
早在1945年3月20日，日军大本营就已决定：集中使用陆、海军的航空兵力，将前来进攻冲绳的美军大部消灭在海上，所余之敌由守岛部队歼灭于岛上。日军以“天号”作战作为这项空中攻击的代号。但在美军开始进攻冲绳之前，计划用于这项攻击的航空部队，或因遭美航母特混编队袭击已消耗了战斗力，或因训练尚未结束不能投入战斗，未能利用有利战机实施大规模空袭，仅组织部分飞机出击，效果不甚理想。
尽管如此，自杀飞机对美军舰船的伤害仍然不小。3月31日，斯普鲁恩斯将军的旗舰“印第安纳波利斯”号受到“神风”特攻机的撞击，舰体被炸开两个大洞，迫使这位司令官不得不改以“新墨西哥”号战列舰为旗舰。4月2日，1架特攻飞机又将“迪克森”号快速运输舰撞成重伤后沉没。至4月5日，美军已有39艘舰船被自杀飞机击伤，其中包括旧式战列舰2艘、巡洋舰3艘和护航航空母舰1艘。
日军大本营认为，面对上千艘来攻的舰船，只派小批飞机出击，不足以阻止敌人的进攻，必须组织大规模的空中攻击，才能给予美国舰队以沉重打击，因而决定自4月6日起，对进攻冲绳之敌实施包括特攻在内的空中总攻，并将这一行动称为“菊水”作战。
4月6~7日，日军派出699架飞机，对冲绳附近的舰船进行猛烈攻击，称为“菊水1号”作战。在这两天的空袭中，美军的驱逐舰2艘、军火船2艘、坦克登陆舰和快速运输舰多艘被击沉，还有22艘舰船被击伤。
至6月22日，日军进行10次这样的攻击，共出动各种飞机6000多架次，虽给美军以及英军的舰船造成巨大损失，但对整个战局未起决定作用。
在这次战役中，守岛日军除1.1万人被俘外，其余全部被歼；盟军方面约有1.3万人战死，3.6万人负伤。日军有16艘舰船被击沉，损失飞机4290余架；盟军有32艘军舰被击沉，约300艘舰船被击伤，损失飞机700余架。这是美军在第二次世界大战中所进行的最后一次登陆战役。
这次战役的结果，使美军取得了进攻日本本土的重要海、空基地。美军以压倒优势的兵力，付出巨大的代价，花费将近3个月的时间，才夺下这个由孤军防守的海岛，从而意识到，如对日本本土发动登陆作战，将会遇到更多的困难，遭到更大的损失。这就促使美国最高当局于7月间作出了使用原子弹的最后决定。