炮击编队由三艘大型防空巡洋舰，五艘重巡洋舰以及四艘驱逐舰组成。按照谈仁皓的想法，这虽然只是第一特混舰队的一部分战舰而已，但是必须要让岛上的日军意识到，他们遭遇到的是唐帝国主力炮击舰队的打击，因此各种战舰要齐全，而且炮火要猛烈。这样，才能够给日本人造成假想。
“硫黄岛海战”（与日本第一航空舰队战役的称呼，而广义上的“硫黄岛海战”包括了后面的部分）结束后的第五日，舰队转向，朝着硫黄岛南面大概四十五海里处的南硫黄岛杀去。南硫黄岛是火山群岛最南端的一座岛屿，再向南就是马里亚纳群岛了。这是一座有着猛烈的地质活动的岛屿，附近海底有好几座活火山，随时都有可能喷发。原本，这是一座毫无价值的岛屿，可在战争中，南硫黄岛就是硫黄岛的南大门。为了确保硫黄岛的安全，日军在南硫黄岛上部署了一支大概500人的守岛部队。这支部队除了守卫岛屿之外，最重要的职责就是监视附近的海域。
舰队航空兵在上午轰炸了岛上的日军营地，以及一些海岸炮塔，两处防空阵地。随后，炮击舰队在下午就到达了岛屿西面15海里的海面上。三艘“李靖”级大型防空巡洋舰首先开火，接着，五艘重巡洋舰上的主炮也开火了。驱逐舰没有参加炮击，一直在舰队外围巡逻，防止舰队遭到日本潜艇的偷袭。“程知节”号沉没之后，驱逐舰上的官兵也紧张了很多。
炮击的消息传回来之后，谈仁皓就先率领舰队向西面撤退，同时让侦察机部队做好了准备。如果日本联合舰队要南下的话，那也会在夜间南下，而不会在白天南下。因此，要想找到日本联合舰队，那就得依靠水上飞机。
南硫黄岛遭到猛烈轰炸与炮击的消息飞速传递到了山本六十五的手里。而他收到的电报与实际的情况有一点点差别，而正是这一点点差别，最终让山本六十五做出了一个非常重大地决定，一个决定了日本联合舰队，也决定了日本海军命运的决定。
早在“琉球海盆海战”中，山口闻多就向山本六十五汇报，唐帝国第一特混舰队拥有至少五艘主力舰（当时，日本的飞行员将外表高大的“李靖”级大型巡洋舰判断成了主力舰）。山本六十五并不相信。因为唐帝国根本就不可能拥有这么多的主力舰。第一舰队的那些战舰都沉在了那霸港里，而第三舰队全军覆没，第二舰队逃回去的主力舰只有三艘，后来还都被消耗掉了。就算唐帝国拥有世界上最庞大的造船工业体系，也不可能在一年地时间里就变出几艘主力舰来吧！为此，山口闻多还被训
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