美军推进至日军主要防线约4500米前，双方陷入僵持。巴克纳乘机调整部署，将北部的陆战一师和陆战六师调到南线，而将南线的第二十七师调到北半岛，接替两个陆战师的防务；攻占伊江岛的第七十七师接替九十六师，投入南线；九十六师则休整10天，再替换第七十七师休整。
美军完成调整后，以4个师展开攻击，采取两翼包抄战术，迂回夹击日军主要防线，以加快作战进程。
5月4日，牛岛见美军步步进逼，为争取主动，一反其一直以来所坚持的坚守防御方针，发动了孤注一掷的总反攻，以部分兵力由驳船运送，在美军战线后方海岸实施登陆，配合主力从正面发动的攻击，但由于得不到海空军的有力支援，登陆部队在航进途中被美军发现，随即遭到驱逐舰和地面炮火的轰击，还未上岸就被消灭了。正面主攻部队一离开坚固隐蔽的防御工事，立即遭到美军优势炮火的集中轰击，不到24小时反攻就被粉碎了。
牛岛这次反击得不偿失，损失了大量人员，消耗了大量的弹药，尤其是消耗的弹药难以补充，使日军的弹药储备接近枯竭。牛岛不得不下令节省弹药，每门炮平均每天只有10发炮弹，严重影响了日后的作战。如果牛岛不实施这次反击，那么反击中损失的人员、弹药可以在坚守防御中坚持更多时间，给予美军更大的杀伤。
5月8日，纳粹德国宣布战败投降，冲绳海面的每一艘美军军舰向日军阵地发射3发炮弹，以示祝贺。
美军投入了新型的喷火坦克和重型坦克，冒着日军的枪林弹雨，碾压日军的战壕，冲入日军的阵地，喷火坦克将凝固汽油射入日军隐藏的山洞和坑道，日军终于支撑不住，其防线逐渐被突破。但牛岛随即在夜色和烟雾掩护下，悄然组织部队有序地撤往下一个防线，因此战斗发展成这样一种模式：日军先是凭险死守，接着美军在猛烈火力支援下取得突破，日军后撤到下一道防线再死守，如此周而复始，日军防区逐渐缩小。
5月31日，美军又取得重大进展，突破了日军核心防御地带首里防线，海军陆战队攻入了已是一片废墟的首里城。第十集团军司令巴克纳满心喜悦以为冲绳首府被占领，意味着战斗即将结束，但他的想法大错特错了，日军困兽之斗反而更加疯狂！
牛岛率余部后退了约10公里，退到岛南端精心准备的最后防线。这是由两座山峰构成的天然屏障，地势崎岖险峻，日军充分利用地形，筑有巧妙隐蔽的炮位和坑道工事，牛岛决心以此为依托，战至最后一兵一卒。因此日军的抵抗丝毫没有减弱，美军主要依靠喷火坦克开路，不少浑身着火的日军冲出阵地，抱住美军士兵同归于尽，美军每前进一步都非常艰难。
面对日军更加疯狂的抵抗，美军还之以更猛烈的炮火，美军的海陆空密集火力对日军据守的岛南部几平方公里地区进行了最猛烈的轰击，日军虽然只剩下3万余人，大炮也损失过半，弹药更是所剩无几，但仍是死战不退。
6月17日，美军又投入预备队陆战二师，该师一个团在冲绳岛南端的喜屋武岬附近登陆，协同正面和侧翼友军围歼日军。此时，日军的局势已十分被动，遭到全歼只是时间问题了。为了避免不必要的伤亡，巴克纳用明码电报和广播向日军劝降，牛岛根本不为所动，以枪炮射击作为答复。
6月18日，巴克纳中将亲临前线督战，当他在陆战八团团部附近小山上观察部队推进时，日军一发炮弹飞来，四下崩飞的弹片和尖锐的碎石片击中他头部，当场牺牲。他也就成为美军在整个太平洋战争中阵亡的将士中军衔和职务最高的将领。第十集团军司令由海军陆战队第三军军长盖格少将代理，盖格因此成为指挥最多陆军部队的海军陆战队将军。
6月19日，牛岛在编号第八十九的山洞坑道里向东京发出了最后的诀别电，然后指示部下进行最后的决死进攻。
6月22日，美军突破日军的最后防线，攻到了冲绳岛最南端的荒崎，并将残余日军分割成3部分，日军都很清楚，末日就要到来了，在坑道里，卫生兵给伤员注射大剂量的吗啡，使他们平静地死去。盖格乐观地宣布已经肃清了岛上日军有组织的抵抗。
6月23日凌晨，牛岛知道美军即将占领他所在的摩文仁坑道，他的死期已到，即脱下军装，换上和服，故作镇定地与身边的参谋一一干杯，喝完了最后的诀别酒，然后剖腹自杀。他的参谋长追随他剖腹自杀，还有一些军官也随之集体自杀。至此，日军有组织的抵抗才告平息，而零星日军的抵抗仍在继续，清剿残余日军的工作一直持续到6月底。
7月2日，尼米兹正式宣布冲绳战役结束。但日军极少的残部还没彻底肃清，直到战争结束的9月7日，还有日军在负隅顽抗。
战役进入尾声后，有相当多的日军放下了武器，他们不想再为天皇充当炮灰了，这在以前是非常罕见的。6月15日前，两个半月的战斗中美军总共才俘虏日军322人；而从6月15日到6月30日，日军不仅有个人或小组投降，甚至还有成建制的部队在军官带领下投降，仅海军陆战队第三军就收容日军投降人员4029人。
此外，还有一些日军脱了军装，装扮成平民逃避被俘的命运，美军从平民中搜捕出的日军就有1700余人，但还有不少人漏网，始终没被美军发现。
战役点评
冲绳战役，从1945年3月9日开始，至6月22日冲绳岛战斗基本结束，战役历时96天，10万余日军除7000余人被俘外，其余全部毙命，日军另有“大和”号战列舰在内的16艘军舰和8艘潜艇被击沉，损失飞机3400余架。美军损失30余艘舰船，370余艘舰船（包括英舰）被击伤，其中需要大修的有航空母舰13艘、战列舰10艘、巡洋舰5艘、驱逐舰67艘，损失飞机760余架。战役中，美军战死1.3万人（陆军约4600人，海军陆战队约3400人，海军舰艇人员4900余人），负伤3.6万余人。
此役是美军在太平洋战争中伤亡最大的战役，因此英国首相丘吉尔认为冲绳战役将以史诗般的战斗，列入世界上最激烈、最著名的战斗而流传后世。鉴于在战役中所付出的惨重伤亡，美军没有举行任何大规模的庆祝活动。
冲绳战役，日军10万守军，面对美军绝对优势的海、空兵力和地面部队，在近乎孤立无援的情况下，坚持战斗3月有余，显示了日军抗登陆能力和战斗意志。同时日军所采取的战术，也为劣势军队组织有效的抗登陆战，提供了经验。日军主要凭借坑道、天然岩洞和山地反斜面阵地，尽量削弱美军的火力优势，并积极开展近战、夜战，组织小部队频繁实施猛烈反击，消耗美军的有生力量。虽然守备部队和航空兵力在战役中遭受了严重损失，但为本土防御争取到了宝贵的备战时间，并使美军深刻意识到对日本本土的登陆将遇到更加激烈和残酷的战斗。
美军在作战中十分重视夺取战区制空权和制海权，依靠其绝对优势的海、空力量，在确实掌握了琉球群岛的制空权、制海权，切断对守军各种支援，并对登陆部队进行海、空火力支援后，才实施登陆。为此，美军以航母编队和战略空军的B—29重轰炸机多次袭击日本九州等地的日军航空基地。由于日军在九州地区建有很多机场，而且分布分散，加上防空火力的有力掩护，美军的空袭一直未能将其彻底压制，所以美军的航母编队只得长期停留在冲绳海域，充当登陆编队的屏障，在日军“神风特攻队”的疯狂攻击下，蒙受了巨大的损失。
美军比较成功的是战役中的后勤保障工作，参战部队总数高达50余万，所有这些部队的物资供应，从飞机、大炮到炸药和汽油，甚至卫生纸、可口可乐到冰淇淋、口香糖，一切都是经过太平洋从美国本土运来的，工作量非常之大，其中运输船队功不可没，他们冒着被日军潜艇和飞机击沉的危险，克服了潮湿炎热的海域长途航行中的种种困难，将物资源源不断地送到前线，为保证战争胜利作出了杰出的贡献。此外，美军首先夺取庆良间列岛，并将这个群岛建设成后勤前进基地，为参战舰艇提供就近的维修、补给和休整，也是非常明智且卓有成效的。
本次战役，美军拥有绝对优势兵力，掌握了制海制空权，选择了有利的登陆地段，但战术呆板，畏惧夜战、近战和攻坚战，且未及时进行海上迂回；日军利用坑道和反斜面阵地抵消美军火力优势，以近战火力和小分队夜间出击顽抗3个月之久，以“神风”特攻机毁伤大量美军舰艇，但陆海军及航空兵未能密切协同，且放弃了歼敌于水际滩头的机会。
冲绳岛登陆战使美军深深明白，如果要在日本本土实施登陆，将面对怎样的疯狂抵抗。这次战役美军虽然胜利了，但却付出了血的代价。为了促使战争尽早结束，美国总统杜鲁门作出了史无前例的决定。两个月后，美国在日本广岛和长崎投下了两枚原子弹。