美軍對硫磺島的海空轟擊早已開始。

從1944年8月10日起，駐扎在塞班島的美軍航空兵就開始對小笠原群島進行空襲，重點是硫磺島的機場和為硫磺島進行物資補給的中轉地父島的港口設施。從8月至10月，共進行過48次轟炸，投彈約4000噸，但收效甚微。

11月24日，塞班島的美軍首次出動B—29對日本本土實施轟炸，引起了日軍極大的恐懼，并隨即作出反應，三天后即11月27日，硫磺島日軍出動了2架飛機空襲塞班島美軍B—29航空基地，擊毀B—29一架，擊傷十一架。隨后的日子里，硫磺島日軍又多次組織對塞班島美軍航空基地的空襲，至1945年1月2日，已累計擊毀B—29六架，嚴重威脅著美軍B—29航空基地的安全。為壓制硫磺島日軍飛機的襲擾，美軍于1944年12月8日組織了一次海空協同突擊，出動飛機192架次，其中B—29重轟炸機62架次，B—24中型轟炸機102架次、重巡洋艦3艘、驅逐艦7艘，共投擲炸彈814噸，發射203毫米炮彈1500發、127毫米炮彈5334發，這樣猛烈的轟擊，卻并未徹底摧毀硫磺島機場，僅僅起了短暫的壓制作用。自這次海空協同突擊后，美軍在12月間又組織了四次類似的海空聯合突擊。

12月9日起，由黑爾少將指揮的第七航空隊B—24轟炸機只要天氣允許，幾乎每天出動對硫磺島進行轟炸，塞班島的B—29也不時加入對硫磺島的轟炸，至1945年2月初，美軍共出動艦載機1269架次，岸基航空兵1479架次，軍艦64艘次，總共投擲炸彈6800余噸，發射大口徑艦炮2萬余發，其中406毫米炮彈203發，203毫米炮彈6472發，127毫米炮彈15251發。美軍如此猛烈密集的火力轟擊，由于日軍的防御工事異常堅固，效果十分有限，對島上兩個機場也沒能予以徹底摧毀，日軍總能在空襲后迅速修復，而日軍初步領略到了美軍的火力，更加傾注全力修筑以坑道為骨干的防御工事。

1945年1月26日，完成了對呂宋島登陸作戰支援任務的第三艦隊返回烏利西基地，進行休整。第三艦隊司令哈爾西上將將指揮權移交給斯普魯恩斯，第三艦隊隨即改稱第五艦隊，這是美軍自1944年秋開始實行的新措施，為太平洋艦隊配備了兩套司令部指揮參謀人員，在哈爾西指揮下，番號為第三艦隊；當由斯普魯恩斯指揮時則稱之為第五艦隊，一般一人在前線指揮作戰，另一人則在后方籌劃醞釀下一次作戰，這樣既能充分使用兵力，又能迷惑日軍。

最初，斯普魯恩斯和尼米茲都認為攻占這樣一個彈丸小島，不會費多大力氣，但看了對硫磺島的空中偵察所拍攝的航空照片后，才知道在這個島上極可能存在不同尋常的防御系統，史密斯中將仔細研究了航空照片后，表示這將是最難攻占的島嶼，并預計要付出兩萬人的傷亡。

1月28日當負責組織對日本本土戰略轟炸的陸軍航空兵第二十一航空隊司令柯蒂斯·李梅少將前來協商航空兵如何支援硫磺島登陸作戰時，斯普魯恩斯就向他提出硫磺島對于戰爭究竟有多少價值？李梅立即肯定地表示沒有硫磺島就無法有效地對日本本土進行戰略轟炸。斯普魯恩斯這才如釋重負，決心不惜付出巨大代價攻取硫磺島。

2月2日，尼米茲來到烏利西，視察硫磺島作戰的準備情況。斯普魯恩斯提議為阻止日軍對硫磺島可能的增援，必須首先使用艦載航空兵對日本本土的關東地區機場進行壓制，尼米茲同意了這一計劃。隨后，尼米茲又前往塞班島觀看了將在硫磺島實施登陸作戰的第五兩棲軍的三個海軍陸戰隊師進行的臨戰演習。

2月10日，斯普魯恩斯以“印第安納波利斯”號重巡洋艦為旗艦，第58特混編隊司令米切爾以“邦克山”號航母為旗艦，一起率領由16艘航母、8艘戰列艦、15艘巡洋艦、77艘驅逐艦組成的航母編隊駛離烏利西，經馬里亞納群島和小笠原群島以東，直撲日本本土。這是美軍自1942年4月杜利特爾空襲東京以來航母編隊第一次襲擊日本本土。斯普魯恩斯計劃16日抵達日本外海，以16日、17日兩天時間對日本本土關東地區的機場進行壓制性的空襲，然后再南下參加硫磺島作戰。他特別擔心日軍的神風特攻隊的威脅，所以每艘航母上只30架轟炸機和魚雷機，其余全部搭載戰斗機。為了盡量減少被日軍發現的可能，出動多艘潛艇在編隊航道前方擔任偵察搜索，而塞班島的岸基航空兵則以B—24和 B—29對編隊經過的海域上空進行巡邏警戒。編隊自身還以多艘驅逐艦在編隊前方組成搜索幕，同時以艦載機進行二十四小時不間斷反潛警戒。正是由于采取了上述嚴密的防范措施，加上惡劣天氣的掩護，美軍航母編隊于16日拂曉一直到達距東京東南125海里海域，此地距最近的日本本土海岸僅60海里，仍沒被日軍發現。

2月16日，美軍航母編隊出動艦載機1000余架次，分成數個攻擊波對東京灣各機場進行攻擊，由于天空中陰云低垂，攻擊效果并不理想。

2月17日，美軍又出動兩個攻擊波艦載機500余架次，對關東地區的機場、飛機制造廠、錨泊船舶等目標進行了轟炸。兩天里，美軍在空戰中擊落日機332架，在地面上擊毀日機177架，給一些機場、飛機制造廠造成了一定破壞，這次空襲的效果不是很大，但卻極大吸引了日軍注意力。當天下午，美軍航母編隊離開日本外海南下，參加硫磺島作戰。