尼米兹也有犯错的时候
美军第一波登陆遭到日军迎头痛击，这下让所有人都明白日军在贝里琉的防御是极为坚固的，三天拿下贝里琉简直就是梦呓。
8时，美军开始第二波登陆。这次美军改变了登陆地点，并准备将炮火全部集中倾泻在登陆海滩。美军这次登陆的海滩是一片开阔地，日军认为这里完全是被周围丘陵上的火力所覆盖，美军不可能在此登陆，所以基本没有布防，是日军整个防御体系中最薄弱的地段。而且美军在第一批登陆部队中特意配置了8辆M4A2“谢尔曼”坦克，后来的事实证明，在登陆第一时间就把8辆坦克送上岸是非常明智的，要没有这8辆坦克，美军第二波登陆很可能也像第一波登陆一样以失败告终。
这次登陆很顺利，日军很长时间没有任何动静。一方面是美军登陆地点正是日军最薄弱之处，另一方面日军第2联队联队长中川州男大佐认为，日军火力弱，弹药也不多，根本无法与美军拼火力，所以既然这次美军已经上岸，那就干脆让美军登陆，让美军猬集在狭小的海滩开阔地，再利用周围丘陵上的火力点进行打击。美军也深知周围丘陵上的日军火力对海滩威胁太大，所以海面上的舰炮支援编队几乎是不间断地用猛烈炮火压制丘陵地带，为登陆部队提供炮火掩护。同时利用日军没有及时反应的机会，抓紧组织人员和装备一波又一波上岸。
不过美军向纵深推进却举步维艰，对周围丘陵的几次进攻都被击退。日军的工事修筑地极为隐蔽，而且射击非常准确，虽然枪声并不密集，但给美军造成的伤亡却不小。而美军却根本发现不了日军火力点位置，只能用机枪、迫击炮、榴弹炮向四下漫无目标开火。
中川认为美军舰炮支援虽然极为猛烈，但同时弹药消耗也很大，即使美军舰队有补给船能够及时补充弹药，也一定会出现火力中断的空档，而这个时候就是日军发动反击的绝佳机会，所以他抽调了1 000人组成反击部队，准备在美军舰炮火力中断时发起反击。
日军在贝里琉岛上的总兵力有1万人，但其中陆军只有约5 300人，真正精锐的第2联队才3 200人。中川能抽出1 000人来进行反击，已经是拿出了最后的家底了，再多就势必影响全岛的防御力量，要是反击失利，兵力损失过大，再要进行防御作战，兵力就肯定不够了。但是，日军观察到美军上岛的部队已经达到了1.5万人，以1 000人对1.5万人，取胜的把握实在太小，所以中川决定反击时投入第14师团战车队的全部16辆95式轻型坦克。以坦克从侧翼出击，沿海岸方向突入美军后方，再集中12门105毫米榴弹炮、10门75毫米山炮、14门81毫米步兵炮、6门70毫米步兵炮、12门150毫米迫击炮、12门90毫米迫击炮对海滩上的美军进行火力打击，最后才出动步兵在丘陵火力点的支援下进行正面冲击，争取一举将美军赶下海。
▲美军的M4A2“谢尔曼”坦克。
15日下午，美军的舰炮轰击终于停息了，日军知道等待已久的反击机会终于来了！随着中川一声令下，日军将火炮从隐蔽的工事里推了出来，向美军海滩猛轰。由于海滩纵深狭小，美军大量人员、装备和物资都拥挤在一起，一发炮弹落下来就可以造成很大损失。但更让美军惊骇的是日军16辆轻型坦克从侧翼冲入了防线，美军根本没想到日军在这个小岛上还会有坦克，一线步兵没有反坦克武器，面对坦克冲击只好跳进战壕躲避，日军坦克并不恋战，径直冲向美军战线后方的海滩。
日军在贝里琉岛的守备部队序列
最高指挥官第2联队联队长中川州男大佐
陆军总兵力：5 388人
第14师团步兵第2联队：3 323人
第14师团步兵第15联队第3大队：1 030人
海上机动第1旅团独立步兵第346大队：685人
海上机动第1旅团输送队第1中队：250人
第14师团战车队：100人（16辆95式轻型坦克）
海军总兵力：5 320人
海军航空基地：2 220人（含朝鲜劳工）
第45海军警备队：400人
海军防空队：500人
海军设营队：2 200人（朝鲜劳工）
合计总兵力：10 708人(https://www.daowen.com)
▲日军在反击中被摧毁的坦克和满地的尸体。
当日军坦克冲到海滩时，后方的美军更没有对抗坦克的手段，只好丢下各种物资四下奔逃。就在危急时刻，美军8辆M4A2“谢尔曼”坦克上场了！日军95式轻型坦克自重才6.7吨，装备1门37毫米坦克炮，装甲最厚处才12毫米。而“谢尔曼”坦克自重35吨，装备1门75毫米坦克炮，装甲最厚处有140毫米。两者根本就不是在一个水平上。所以这场坦克战完全是一边倒的，结果自然毫无悬念，日军16辆95式坦克全部被击毁，而美军仅有1辆“谢尔曼”的履带被打断。解决了日军坦克后，“谢尔曼”坦克又隆隆驶向前线，为步兵提供直接支援。海滩上的美军也重新稳住了阵脚，纵深火炮再度恢复射击。一线美军在坦克和炮火支援下，逐渐稳定了防线，面对美军越来越猛烈的火力，加上坦克也全部损失，中川意识到反击已经不可能成功，只好下令反击部队撤回。第2联队不愧是日军的精锐，进攻撤退都很有章法，在炮火掩护下迅速回撤，兵力损失并不大。
根据以往太平洋上岛屿战的经验，美军以为只要挫败了日军的反击，之后就能迅速打开局面。但在贝里琉却不是这样，此后美军在贝里琉还要经过整整两个月的苦战。
美军战舰补充了弹药，重新开始炮击。但在日军顽强防御下，进展依然迟缓。因此美军改变了战术，不再是简单的正面强攻，而是将主攻方向改向侧翼丘陵，这才取得了突破。
18日美军攻占了岛上机场，当天就有受伤的舰载机在此紧急降落。随后用于舰炮校射的轻型飞机就开始从这个机场起降。到10月1日，美军就将机场跑道扩建到1 800米长，陆战队航空兵第11大队的战斗机马上全部进驻。但日军抵抗越来越激烈，美军每前进一步都很困难，美军占领机场但并没有完全控制整个机场，实际上只控制了机场跑道，美军飞机起飞降落都遭到机场周围日军的射击。美军飞机起飞，起落架刚刚离开跑道，就要对周围日军阵地进行扫射，这种情况在以前也是从来没有的。
直到20日，战斗依然还在机场周围胶着。才一个星期，美军陆战1师的伤亡就高达4 000人，好在日军弹药不足，不然美军损失还要更大。
▲贝里琉机场上的战斗机。
22日在帕劳主岛的日军第14师团决定向贝里琉派出援军，当晚22时，第14师团步兵第15联队第3大队1个中队250人从主岛搭乘海上机动第1旅团输送队的舟艇到达贝里琉。但23日晚第15联队第3大队主力携带大量补给物资前往贝里琉岛时被美军发现，遭到拦截，最后只有几百名步兵携带少量弹药到达贝里琉。此后由于美军加强海上巡逻，贝里琉岛的日军就再也得不到任何支援，但美军真正占领贝里琉岛还需要时日。
由于贝里琉岛战局始终没能打破僵局，美军于9月23日把陆军第81步兵师321团也投入了贝里琉岛，也就在这一天美军总算是占领了整个机场，但机场周围高地仍在日军手里，美军飞机仍然要在枪林弹雨里起飞降落，一升空就要对日军进行扫射轰炸。
进入10月，美军又发动了攻势，但进展还是相当有限。只要美军离开了舰炮火力支援，就很难再继续推进。日军又不断组织反冲击，打得美军陆战1师节节败退，全靠强大的海空火力掩护，再加上陆军81师321团的支援，才稳住了防线。双方陷入胶着，随着时间的推延，贝里琉之战已经拖了美军全局的后腿，影响到了美军登陆莱特岛的计划。到了10月中旬，麦克阿瑟实在等不及了，决定不管贝里琉岛的战况怎样，干脆宣布10月12日美军已经结束了贝里琉之战，并于10月20日发起登陆莱特岛作战。
但对于贝里琉到底该怎么办，美军内部又有了分歧，有的认为贝里琉岛战役本来就是多此一举，应该从贝里琉岛撤军，趁早放弃这个烫手的山芋。但大部分人认为，贝里琉岛应该坚决打到底，因为在这个小岛上美军已经付出了太大的代价，就这样草草结束，那么之前付出的牺牲与代价就都白费了。最后美军达成共识，或许贝里琉根本就不应该打，但既然已经付出了这么多代价，那么就只能硬着头皮打到底了。
为此，美军将81步兵师主力也投入了贝里琉。这样美军凭借巨大的兵力、火力上的优势，一码一码推进，一个山洞一个山洞打。到了11月日军的弹药基本耗尽，11月8日，中川认为贝里琉肯定守不住了，就发电报给第14师团，弹药已经用完，无法继续作战，请求同意进行自杀式“万岁”冲锋。但没有得到批准。22日，美军已经攻到了中川指挥部附近，中川知道最后时刻就要到了，就给14师团发出诀别电，并下令烧毁步兵第2联队的军旗和机密文件。
▲战斗间隙的美军陆战队员。
激战到11月24日下午，日军弹药基本用尽，人员也伤亡殆尽，中川切腹自杀——他死后被追晋两级为陆军中将，日军惯例都是追晋一级，追晋两级在整个战争中是极为罕见的。此外，贝里琉守备部队还获得日军大本营的11道慰问状以及通报全军的感谢状，这也是非常少有的嘉奖，贝里琉的守备部队也确实受得起这份荣耀，美军为了夺取这个弹丸小岛，付出了2 336人阵亡、8 450人受伤的巨大代价。日军1万多人的守备部队除了202人被俘外，几乎全部战死。在如此悬殊的兵力火力对比下，日军还是打出了几乎1:1的伤亡交换比。贝里琉的防御经验，很快在日军推广，之后在硫黄岛、冲绳岛基本都是沿袭贝里琉的经验。
▲尼米兹坚持进攻帕劳群岛被认为是一次失策。
中川自杀之后，还有60名无法行动的日军伤兵也纷纷自杀，至此日军在贝里琉的有组织抵抗才宣告落幕，但零星的日军甚至一直坚持战斗到1947年。
贝里琉岛战役可以说是太平洋战场上最惨烈的战役，弹药消耗之大（美军仅步兵弹药就消耗了2 200吨，消耗的全部弹药更是超过了4万吨），伤亡之重，都是前所未有的。
尼米兹在整个太平洋战争期间，对战局的判断、分析和决策，都是非常睿智高明，但唯独在贝里琉，他没有采纳哈尔西放弃帕劳作战的建议，认为帕劳群岛的机场能对菲律宾的作战提供强有力的空中支援。实际上由于贝里琉之战打成了僵局，不仅没有能够支援莱特岛登陆，反而拖了美军菲律宾战役的后腿，美军大量的战舰与弹药被牵制在了贝里琉。最后迫使美军放弃后续在帕劳主岛的登陆。