1944年，日軍在太平洋戰場上，節節敗退。為抵禦美軍攻擊，日軍建立了一個環形防衛圈，硫磺島便是其中之一。硫磺島上，日軍正緊張的構築防禦工事，西鄉是其中一個，不過，他認為這是在自掘墳墓，還不如將硫磺島，拱手讓給美軍，早點回去，與家人團聚。
為抵禦美軍，日軍派出慄林忠道坐鎮指揮，他曾在美國進修，深知，美軍優勢與特點。這天，慄林好友西竹也被派來，他將擔任戰車聯隊，聯隊長。同時，他也帶來了一則壞訊息，日軍在馬里亞諾海戰損失慘重，他們將失去海軍援助。
沒了制空權與制海權，慄林大感不妙，他力排眾議，決定放棄灘頭陣地，以縱深防禦為主，灘頭防禦為輔，主要以折缽山為核心陣地，挖建地下碉堡，進行防禦，與美軍打消耗戰。同時，慄林將廢棄坦克，轉移到陣地，將其當做固定炮使用。
一架日軍戰機緩緩下落，飛機上是被派來支援計程車兵，清水身在其中。不過，清水曾當過憲兵，因此，他也不被其他士兵待見。日軍，沒日沒夜地挖著工事，卻只能喝雜草湯充飢，西鄉不免回想起了，曾經的生活，原來，他和妻子經營著一家麵包店，日子過得幸福美滿，卻被強力征軍，臨走時，妻子已經懷有身孕，現在，他只想回家，與妻子團聚。
這天，軍曹給日軍講述著，戰爭形勢，雖然他們各方面都處於落後狀態，卻抱有玉碎之心，最後，軍曹提醒道要優先射殺美軍醫療兵。這時，警報大響，是美軍轟炸機，他們對島上日軍，展開轟炸，日軍被炸得抱頭鼠竄，毫無還手之力。
漸漸地，美軍轟炸密度越來越大，日軍只得躲在山體內部，不久，一名日軍報告慄林，根據情報，美軍艦隊已從塞班島出發，大戰一觸即發。
面對美軍的全面進攻，慄林進行了戰前動員，他要求日軍奮力作戰，不要期待活著回家，每人要至少射殺10名美軍。
大戰開始，美軍派出戰機，在對硫磺島轟炸三天後，開始登陸作戰，慄林在制高點觀察著美軍，待時機成熟，美軍登上灘頭陣地後，慄林果斷下令，開槍射擊。一時間，美軍應對不急，被完全壓制在灘頭，傷亡慘重，半數坦克被毀，前進受阻。美軍只能依靠士兵用炸藥包和火焰噴射器，一步一步向前推進，而每一步他們都要付出慘痛代價。
惡戰過後，美軍有8個步兵營與1個坦克營，成功登陸，灘頭陣地的日軍，全部陣亡。折缽山成了雙方必爭之地。面對美軍強大的進攻火力，日軍機槍陣地，逐一被毀，折缽山陣地，漸漸失守。
指揮官安達給慄林打去電話，彙報戰況，陣地失守，他請求自己與士兵光榮自殺，但慄林堅決不同意，他要求安達率人撤退，與北洞穴守軍匯合，拼死抵抗，兩人之間的談話，都被西鄉聽到。
然而，安達沒有聽從慄林命令，反而帶著手下，開始了手雷自殺，西鄉不想自殺，他說服清水，兩人向北洞穴撤退。抵達北洞穴後，這裡的情況也不容樂觀，守軍死傷殆盡。他們同樣接到命令，向後方撤退，只是，美軍怕日軍發動偷襲，不斷地發射照明彈，日軍行蹤暴露，遭遇美軍瘋狂射擊，西鄉與清水，一直匍匐前進，僥倖逃過一劫。
兩人撤退到元山陣地，守衛這裡的指揮官伊藤，認為兩人是逃兵，就要砍殺二人，危急時刻，慄林趕到，救下了他們，折缽山失守，慄林只得將司令部向北後移。臨走時，他命令伊藤堅守陣地，奮勇殺敵，可伊藤是個強烈的好戰分子，不想坐以待斃。深夜，他率領部隊擅自出去，想要奪回折缽山陣地，結果遭遇美軍，迎頭痛擊，傷亡慘重。
失敗已成定局，日軍在絕望的情況下，發生大面積自殺，光在機場就有1000多名士兵，集體自殺。更糟的是，日軍大本營發來電報，明確告知慄林，沒有援兵，唯有死戰。第二天，美軍繼續發起強攻，日軍擊傷一美軍，西竹下令，將美軍救回了洞內，並對其進行了治療。美軍醒後，與西竹聊了起來，他不敢相信，西竹竟參加過洛杉磯奧運會，甚至拿到了金牌。
隔日，西竹發現受傷美軍，不治身亡，突然，美軍發起進攻，西竹前去檢視，結果，遭遇爆炸，被炸瞎雙眼。現在，日軍彈盡糧絕，西竹深知陣地必定失守，他命令手下全部撤退，自己則選擇了開槍自殺。
幾天戰鬥下來，面對美軍的強大火力，日軍深感絕望，清水也不再認為美軍，是一群懦夫，甚至說，，兩人謀劃好，西鄉先掩護清水，然後，在瞅準時機，一起投降。結果，清水被軍官發現，還好，跑得快，逃過一劫。他手舉白旗，來到美軍陣地投降，不料，迎接他們的卻是子彈。
慄林這邊與所有前線部隊，失去了聯絡，心急如焚。中尉帶領部隊，前去與慄林匯合，中途，發現了清水屍體，西鄉悲傷不已。他們需要穿越交叉火力，才能到達洞穴，衝鋒時，上尉與美軍展開激戰，不幸，槍卡殼了，上尉拿起手雷，衝上前去，想同歸於盡，結果被美軍射成篩子，最終，僅有幾人順利進入洞穴。
1945年3月26日，美軍已佔領硫磺島，敗局已定，慄林下令燒燬檔案，帶著剩餘日軍，發起了最後衝鋒，日軍很快便被團滅，慄林也被炸翻在地。副手將他救了出來，慄林不想被美軍俘虜，便讓副手解決了他，就在副手下手時，美軍子彈飛來，射殺了副手。
這時，西鄉也逃到了這裡，慄林命令西鄉，在自己死後，將他掩埋，隨即，便開槍自殺。西鄉，剛將慄林掩埋，美軍便將其團團圍住，最終，將其打暈帶走，進行治療。
美軍本計劃五天拿下硫磺島，卻硬是打了整整一個月，最終美軍傷亡28686人，日軍傷亡22703人，1083人被俘，戰役最終以美軍的慘勝結束，而硫磺島也成了美軍轟炸，日本本土的重要基地，打開了直接攻擊日本本土的通道。