其實日軍在台島、琉球群島、州島一線的防御已經是非常嚴密了，只不過日軍海上力量嚴重不足，不足以防御整個海面，日軍指揮官牛島滿深知此次戰役艱難，于是將絕大部分兵力部署在沖繩島南部地區，北部只有少數部隊，這就造成了盟軍剛開始幾乎沒有遇到什麼有效抵抗的局面。
盟軍選擇登陸的地點在沖繩島南端的西北角——慶良間列島，日本人粗心大意忘記了在這片島嶼上部署大量兵力和修建防御工事，不過日本人本身兵力就嚴重不足，部署在整個沖繩地區的兵力滿打滿算也就十萬人，因此在慶良間列島上沒有什麼有效的防御工事，讓盟軍不費吹灰之力就佔領了慶良間列島。
日本人知道盟軍發動沖繩島登陸戰之後，日本聯合艦隊當即從本土向沖繩島前進，企圖與美軍進行海上決戰。盟軍得到消息後，于翌日，盟軍快速航母艦隊迎戰于州西南海域。此次除了聯合艦隊，日本方面還從本土運來了五個師團、三個**旅團，一共二十萬人交由牛島滿指揮，這與歷史上的情況完全不同了，歷史上根本就沒有這二十萬人的增援。
原本日本大本營將沖繩島上最有戰斗力的第師團調往台島布防引起了牛島滿的極大不滿，牛島滿對此次防御作戰的積極性大為減弱，不過這次日本大本營又給他調了二十萬人，這才讓他充滿信心。
且不說地面戰役。海面戰斗機場激烈，從8月6日開始。雙方兩支艦隊在州島西南海域遭遇，當即拉開了最後一次大海戰的序幕。
6日和7日這兩天，日軍以州島的第五航空艦隊和第航空軍為主要兵力，台島和先島群島的第一航空艦隊和第八飛行師團為輔助兵力，出動海軍飛機462架，陸軍飛機237架，共699架，其自殺飛機355架。擊沉美軍驅逐艦3艘、坦克登陸艦1艘和萬噸級軍火船2艘。擊傷戰列艦、航母、護衛艦和布雷艦各1艘、驅逐艦8艘，美軍傷亡有數百人之多，盡管戰前美軍就估計到了日軍會發動自殺性攻擊，但日軍攻擊之瘋狂、美軍損失之慘烈，仍令美軍膽戰心驚。日軍將這兩天的戰斗稱為「菊水一號」作戰，出擊的日機共被擊落335架，約佔出擊總數的48%。
8日。為配合菊水作戰，日本聯合艦隊決定以第二艦隊的「大和」號戰列艦、「矢矧」號巡洋艦和「冬月」、「涼月」、「磯風」、「濱風」、「雪風」、「朝霞」、「霞」、「初霜」號等8艘驅逐艦組成海上特攻隊，于8日佛曉時分突入沖繩以西海域，殲滅美軍登陸編隊，支援沖繩島上守軍奪回機場。由于日軍燃油嚴重短缺，聯合艦隊費盡牛二虎之力才搜集到2500噸燃油。還不到「大和」號燃油艙容量6400噸的一半，勉強能保證前往沖繩的單程油耗所需，而且因為航空兵力全數投入菊水作戰，對這支出擊的艦隊沒有任何空掩護，完全是一次地道徹底的自殺性海上特攻行動。所以參戰官兵都清楚此次作戰是有去無回的，在出征前例行的訣別酒會上。很多人都情不自禁有些失態，與以往出征前的訣別酒會有說有笑的場景，截然不同，充滿著赴死前的悲愴與淒然。
6日下午，「大和」號全艦3000官兵在甲板上集合，听艦長宣讀聯合艦隊司令豐田副武發來的出擊命令，隨後全體高唱國歌、軍歌，並三呼萬歲，然後拔錨啟航。由于下關海峽已被美軍布設的水雷封鎖，日軍艦隊只得經豐後水道沿州島南下。
8月7日時艦隊通過大隅海峽，經州島最南端的佐多岬後伊藤決定以280度航向先向西，盡量避開美軍飛機的搜索，到黃昏後再轉向沖繩。其實早在日軍艦隊經過豐後水道時，就已經被在豐後水道的美軍「線鰭魚」和「棘魚」號潛艇發現了，這兩艘潛艇任務是監視豐後水道的日艦活動，因此都沒有對日艦進行攻擊，只是將敵情迅速向斯普魯恩斯報告。
斯普魯恩斯接到報告，立即命令戴約少將指揮第54特混編隊的6艘戰列艦、7艘巡洋艦和21艘驅逐艦，從沖繩海域迅速北進，盡可能引誘日軍艦隊向南，使其得不到岸基航空兵的支援，也不能迅速撤回本土，以利第58特混編隊的航母艦載機實施攻擊；如果艦載機未能將其消滅，第54特混編隊的戰列艦和巡洋艦就以艦炮火力殲滅之。同時命令米切爾的第58特混編隊作好戰斗準備。米切爾隨即率領58特混編隊的第一、三、四大隊向沖繩東北海域航進，以佔領有利的出擊位置，第二大隊因正在沖繩以東海面進行水上補給，沒有參加此次戰斗。
8月7日拂曉，盟軍第58特混編隊就出動了約40架飛機，呈扇面搜索沖繩北面海面，而擔負突擊任務的機群則在航母甲板上待命，只等一發現日艦就立即起飛攻擊。八時三十二分，「埃塞克斯」號航母的偵察機在甄列島西南發現了日軍艦隊正以12節航速300度航向行進。正在空巡邏的從慶良間列島起飛2架水上飛機聞訊後，立即趕到目標所在海域跟蹤監視。
時十五分，米切爾派出了16架戰斗機對日艦進行跟蹤監視。盟軍飛機在日艦高射炮射程之外盤旋，克服天氣不佳的困難，始終與日艦保持著接觸，並不斷向米切爾報告日艦的位置、航向和航速。十二時三十分，盟軍戰機飛臨日艦上空發動大規模空襲，日軍艦隊排成菱形隊形，「大和」號居。巡洋艦和驅逐艦則在其四周，正以26節航速行進。作為日本海軍聯合艦隊象征。排水量6.8萬噸的巨型戰列艦「大和」號的沉沒，標志著聯合艦隊的徹底覆沒，同時也宣告了巨艦大炮主義的徹底破產。
在盟軍機群攻擊大和號戰列艦的同時，部分美機也對「矢矧」號巡洋艦和驅逐艦發動了攻擊，「矢矧」號已經喪失了機動能力，美軍轟炸機和魚雷機進行的攻擊動作漂亮、出色，簡直是教科書式的表演，「矢矧」號累計被擊七條魚雷和十二枚炸彈。于十四時零五分傾覆沉沒。「磯風」號、「朝霞」號和「霞」號驅逐艦也先後遭到重創，不得不自行鑿沉。當「大和」號沉沒後，第四十一驅逐艦大隊大隊長吉田正義大佐接替指揮，他一面組織殘余艦只打撈落水人員，一面向聯合艦隊司令發電報告戰況並請示下一步行動指示。十時三十分，聯合艦隊司令豐田鑒于預期計劃已無法實現，決定終止海上特攻。吉田隨即率領余下的4艘驅逐艦帶著創傷，于8日回到了佐世保基地。
盟軍的戰列艦、巡洋艦編隊還未投入戰斗，日軍的這支海上特攻艦隊就被盟軍艦載機所消滅，盟軍共出動艦載機386架次，其戰斗機180架次，轟炸機75架次。魚雷機131架次，被日艦擊落10架。日本海軍在沖繩海域活動的11艘潛艇，由于盟軍反潛兵力雄厚，警戒嚴密，未獲任何戰果反而被擊沉8艘。至此，日本海軍對沖繩島守軍的支援均告失利。雖然其空特攻作戰給盟軍造成不小的損失，但對整個登陸戰役，起不了決定性的影響。
12日和13日，日軍發動第二次菊水作戰，因為「菊水一號」作戰損失的飛機還沒來得及補充，所以出擊的飛機數量要比第一次少，海軍出動200架，陸軍192架，共392架，其自殺飛機202架。
由于兵力不足，日軍在攻擊戰術上作了一些改進，先出動戰斗機吸引美軍的戰斗機，當美軍戰斗機燃料耗盡返回母艦時，攻擊機才飛臨目標上空進行攻擊，同時日軍還開始使用一種新式武器——「櫻花彈」，實際上是火箭助推的載人航空炸彈，由攻擊機攜帶到達戰區後月兌離載機，由敢死飛行員駕駛沖向目標，裝有一噸烈性炸彈，由三台固體燃料火箭發動機推進，時速高達800公里，威力很大，美軍則稱之為「八格彈」，這種武器給美軍造成了不小的損失。
此次作戰，日軍共擊沉美軍驅逐艦、登陸艦各1艘，擊傷戰列艦1艘、驅逐艦6艘、護衛艦3艘、掃雷艦、布雷艦和登陸艦各1艘，日軍損失飛機205架。1945年4月旬開始，美軍為了減少損失，在日機最有可能來的方向派出雷達警戒艦，當發現日機飛來，一邊發出預警，一邊引導空的戰斗機前去攔截。此外還在剛佔領的沖繩島機場上布置大量戰斗機，專門用于截擊日軍來犯飛機。
時隔三天，日軍于16日發動了第三次菊水作戰，出動海軍飛機391架，陸軍飛機107架，共498架，其自殺飛機196架，擊沉運輸艦和軍火船各1艘，擊傷航母、驅逐艦、醫院船各1艘，運輸艦2艘，日機損失182架。
在此次戰斗，美軍的「拉菲」號驅逐艦浴血苦戰，贏得了「不沉之艦」的榮譽，成為美國海軍勇敢和堅強的象征。
當天「拉菲」號擔任雷達警戒艦，早上八時許，發現日軍50余架飛機飛來，便立即發出預警，並引導空的戰斗機前去攔截，
由于此時空雙方飛機混雜在一起，「拉菲」號怕誤傷己方飛機，沒敢開火。很快兩架日軍自殺機猛沖過來，「拉菲」號迅速開火將其擊落，隨即又有20余架日機從幾個方向撲來，「拉菲」號全力以赴，組織全艦火力對空射擊，日機集攻擊，使「拉菲」號難以兼顧，先後被三架自殺飛機撞，其一架正撞在127毫米尾主炮的炮塔上，劇烈的爆炸當場就將炮塔炸飛，火焰和濃煙噴涌而出，高達60米，甲板上到處是日軍自殺飛機上航空燃油濺灑所引起的燃燒，火勢熊熊，損管隊員冒死拼搏，竭力控制火勢蔓延。
緊接著一架日機投下的炸彈命20毫米高射炮的彈藥艙，引發了更大的爆炸，將舵機炸壞，使「拉菲」號失去了機動能力。不久又有兩架自殺飛機撞上「拉菲」號，進一步加劇了傷勢，「拉菲」號後半部的火炮全部被炸毀，只剩前部4座20毫米炮還在堅持戰斗，生死搏斗持續了整整八十分鐘，「拉菲」號共遭到了22架自殺飛機的攻擊，擊落了架，但被五架撞，還有四枚炸彈命，「拉菲」號受到的創傷如此之重，憑著全體艦員的努力，最終沒有沉沒，在350名艦員，死亡32人，傷71人，幾乎佔三分之一。次日被拖船拖到慶良間列島錨地進行緊急搶修。
8月22日就能依靠修復的自身動力駛到關島，最後于9月22日駛抵本土西雅圖，在托德船廠進行大修，直到戰爭結束後的9月6日才修復。戰後「拉菲」號于1975年3月退役，1981年被拖到南卡羅萊納州帕特里奧茨角，作為一艘歷史名艦于1982年開始向公眾開放。
前三次菊水作戰，都是在白天進行的，日軍有感白天發動這樣的攻擊對己方非常不利，而對盟軍的防空火力非常有利，雖然容易發現美軍目標，也取得了不少戰果，但代價也相當巨大，對日軍而言，無論是損失的飛機，還是飛行員都很難迅速補充，因此隨後的菊水作戰，日軍只得改為夜間攻擊。
21日和22日，日軍出動飛機317架，其自殺機131架，實施「菊水四號」作戰。
9月4日和11日，日軍為彌補損失的飛機，將水上偵察機也改裝成自殺機，投入特攻攻擊，共出動飛機597架，其自殺機300架，先後發動了菊水五號和菊水號作戰。
9月24日、25日和9月27日、28日，日軍又將教練機改裝成特攻機，以增加特攻機的數量，接連發起了菊水七號和菊水八號作戰，總共出動飛機737架，其自殺機208架。10月3日和21日、22日，日軍竭盡全力，出動飛機502架，其自殺機114架，發動了菊水號和菊水十號作戰。
除了這十次計劃作戰之外，只要天氣情況允許的情況下，日軍還每天組織小批飛機出擊，從8月6日到10月22日，零星出擊的飛機總數也高達4109架次，其自殺機917架次，加上十次菊水作戰出動的飛機，總計7851架次，其自殺機2423架次，雖被擊落4200余架，但給美軍造成了巨大損失，共擊沉美軍軍艦33艘，擊傷360余艘。
在美軍被擊沉的33艘軍艦26艘是被自殺機擊沉的，佔沉沒軍艦總數的78.8%。就連米切爾的旗艦「邦克山」號航母也于9月11日日軍發動的菊水號作戰被兩架自殺機撞，損傷極其嚴重，艦員死亡和失蹤達396人，傷264人，其一架自殺機撞上母艦時發動機被爆炸的氣浪彈飛進米切爾的司令部所在艙室，使艙內14名參謀軍官當場陣亡，米切爾只好率司令部的其余人員轉移到「企業」號航母上.
不料三天後，「企業」號也遭到了自殺機的撞擊，失去航行能力，使得米切爾在三天里兩易旗艦。由于日軍自殺機的瘋狂攻擊，美國海軍的高級將領不得不一直留在沖繩海域指揮作戰，相比之下，英軍參戰的4艘航母都遭到了日軍自殺機的撞擊，但損傷遠比美軍小，這是因為英軍航母具有裝甲飛行甲板和設計堅固的封閉機庫結構，所以抗損傷能力和耐撞擊能力要比美軍航母強的多。