1944年7月24日美國海軍陸戰隊第2師與第4師於早晨，採取“聲東擊西”登入戰術欺騙日軍：海軍陸戰隊是自北方塞班島乘坐艦艇橫越窄小海峽，在美國海軍艦隊不停發炮轟擊天寧島下，火力掩護海軍陸戰隊登入，導致島上北方日軍守軍果然中計，分派兵增援攻擊西南方假的佯裝登入第2師美軍100艘兩栖登陸艇，但是還沒上岸第2師就在海上轉船回島西北邊登入，真的美軍海軍陸戰隊第4師第一波150艘兩栖登陸艇就在稍後7時島上西北方先登陸成功；
但是美軍也因為日軍岸炮在近岸200米時日守軍猛烈開岸炮反擊導致傷亡：科羅拉多號戰艦（BB-45）與諾曼.史考特號驅逐艦（DD-690）被日軍岸邊6吋炮炮火擊中：科羅拉多號戰艦被日炮命中22發炮彈導致美國水兵44人陣亡；諾曼.史考特號驅逐艦號軍艦則被日軍岸炮擊中6次，艦長SeymoreOwens與其他同船美軍阿兵哥22人都囙此陣亡。
日軍4個旅團在美軍於西北岸登入時，緊急調派以多管75mm口徑迫擊炮集中攻擊登入美軍，導致登入當時美軍第4師與第2師的一個旅團當場陣亡15兵，傷220個美軍；美軍傷亡輕微，證明防範火力薄弱日軍中計。
日軍採取與塞班島同樣的頑強守島戰術，白天躲避休息晚上找美軍夜戰，24日深夜日軍2500名發動夜戰攻擊美軍，但是美軍不停對空發射照明彈導致日軍失去夜戰優勢敗退，美軍還擊毀4輛日軍坦克，擊斃2比特日軍上尉連長。
7月25日美軍第2師也全部登入，與第4師會師共同往南進攻；日軍徵調當地島上住民男性16歲--45歲3500人分成6隊，沿島上市街鬧區中心佈防抵抗美軍，美軍自25日戰到30日才戰勝當地民兵，繼續追攻日軍。
7月31日，在美軍追擊已至南方掃蕩，日軍放弃島上唯一淡水井，全部撤退到島北最後一道日軍防線，沿著島北飛機場旁高地佈防，與美軍進入決戰時刻，陸續出現日軍竟開始採取恐怖的“自殺作戰”攻擊美軍；當天深夜，日軍島陸軍司令“緒方敬志”大佐向外島上司日軍第31軍軍長小畑英良中將（也在幾天後的8月11日關島戰役玉碎）通報最後一通電話：表明已經彈盡援絕、將死守到底的殉國玉碎决心；
8月1日從黎明到傍晚一整天，日軍全體9000兵力總共向美軍進攻3次，通通被美軍猛烈炮火擊退；第1021航空隊（司令官？粟野原仁志大佐）與林姓科技少佐多數日軍都在這一天陣亡。
8月2日黎明，島陸軍司令緒方敬志大佐在向日本天皇照片虔敬跪拜後焚燒軍旗（所謂“奉焼”），率領最後1000名日軍與島民兵攻美軍；緒方敬志囙此戰被美軍機槍擊中陣亡。日本空軍第1航空艦隊司令長官角田覺治中將在跑出司令部壕溝，朝攻至司令部美軍丟擲手榴彈炸斃數名美軍後，留下最後一顆手榴彈拔去安全梢、喊著“日本萬歲！”爆炸聲中自盡，接著第56警備隊司令大家吾一大佐作戰中彈陣亡，接著日本空軍第1航空艦隊參謀長：三和義勇大佐（上校已經切腹自殺，隨從參謀早把屍體埋在島上某處，隨從參謀也都跟著全部自殺了））。
8月3日黎明，已無日軍槍炮響；美軍已經佔領。
天寧本島上剩一個日本兵Murata Susumu還在向美軍作戰，後來才出來向數萬美軍投降，這時已經是戰爭結束8年後的1953年。
但是原本就有飛機場的天寧島不同於塞班島多山丘，平坦天寧島美軍就使用坦克與平射炮作戰更具威力，所以美軍才9天便奪占此島。
天寧島戰役也是太平洋戰役裏美國空軍第一次空投凝固汽油彈，120枚掛載於可拋式副油箱（jettisonabletanks）載點的任務中，其中25枚是凝固汽油混合物，其餘為石油-汽油混合物；投射任務由P-47戰鬥機負責，其中有14枚為啞彈，作戰結論是凝固汽油彈對於燒除敵軍表面偽裝的成效極為良好，飛機在燒除敵軍偽裝後可用機槍進行有效掃射；也因為島上都是樹木，美軍早已經把此島規劃增建機場跑道，故空投燃夷彈提早整理地面爭取時間。
結局
數百名日軍在天寧島西南角落Aguijan小島叢林裏奮戰不懈數個月，日軍上尉連長KinichiYamada帶領部隊作戰，直到1945年9月4日天皇已經宣佈日本投降他們仍就持續抵抗，不久後才投降-延遲投降的原因有可能是出自勇氣，也可能是收音機壞掉收不到投降命令。
美軍攻佔天寧島後成為極具戰畧影響大局的島：天寧島開始修繕容納50000營房基地及加長飛機場跑道，工事由15000名美國海軍工兵隊完成，趕工完成後成為太平洋戰爭裏最繁忙之要地，美軍工兵修築6條2400米飛機跑道以符合B-29轟炸機之起降需求，自此B-29開始攻擊菲律賓、琉球群島以及日本本土，第二次世界大戰太平洋戰爭囙此出現重大轉變-盟軍轟炸機可以天天轟炸日本本土的重要設施，而非以往隔幾天才能炸一次的窘境了。