III Десантное Уилкинсона, состоявшее из больших транспортов и десантных судов, забрало ветеранов 1 дивизии морской пехоты (генерал-майор У.Г. Рупертус), которая была выбрана для вторжения на Пелелиу. Обстрел острова корабельной артиллерией начался 12 сентября. Водолазы-подрывники получили достаточно времени для расчистки дороги к пляжам через рифы. Они взрывали коралловые глыбы, примитивные (по сравнению с германскими) деревянные противокатерные заграждения, проделывали каналы в рифах, чтобы обеспечить проход LVT и стоянки LST.
Японским гарнизоном командовал полковник Накагава. Он имел 5300 солдат и множество строителей и отнюдь не собирался дешево отдать Пелелиу. Императорская Верховная Ставка начала уделять особое внимание методам борьбы с десантом. Старая тактика встречать противника на побережье всюду провалилась. Была подготовлена новая тактика. Теперь главная линия обороны создавалась в глубине острова. Предусматривалось сосредоточение крупных сил, которые могли нанести контрудар в подходящий момент. На побережье сопротивление предполагалось только обозначить. Защитники Пелелиу стали морскими свинками, на которых была опробована новая тактика, которая помогла противнику значительно затянуть бои на Иводзиме и Окинаве. Естественные пещеры в известняковом хребте к северу от аэродрома были превращены в связанные между собой подземные опорные пункты. Они были так хорошо защищены песком и бетоном, что бомбардировки и обстрелы почти не могли причинить им вреда.
Однако полковник Накагава испробовал и новые, и старые методы. Его солдаты так упорно сопротивлялись на берегу, что D-день стоил морским пехотинцам 210 убитых и 900 раненых. К 18 сентября американцы захватили аэродром, но не могли сделать его безопасным. В 2 милях севернее аэродрома находился высокий хребет Умурброгол. Здесь японцы с помощью профессиональных шахтеров вырыли систему сообщающихся пещер в мягком коралловом камне, слишком глубокую, чтобы бомбы и снаряды могли проникнуть внутрь. Игнорировать этот хребет было нельзя. Выходы из пещер находились всего нескольких сотнях ярдов от аэродрома. Японцы имели в достатке продовольствие, оружие боеприпасы. Их требовалось либо выкопать, либо закопать. Морские пехотинцы с помощью присланного на помощь полка 81 дивизии вели кровопролитные бои. Они захватывали пещеру, чтобы обнаружить, что она покинута. Поднявшись на вершину горы, американцы могли чувствовать запах пищи с японских кухонь, которые располагались под ними. Самая большая пещера была захвачена 27 сентября, в ней укрывались более 1000 японцев. Самым действенным оружием оказались новые мощные огнеметы, сначала смонтированные на LVT. Потом их переставили на танки «Шерман». Эти огнеметы выбрасывали струю пламени на 40 — 50 футов вглубь пещеры. Она могла даже заворачивать за угол. Это оружие помогло сломить сопротивление врага.
Ночью 24 — 25 ноября закончилось организованное сопротивление. Полковник Накагава исполнил приказ императора и совершил самоубийство. Его гарнизон был истреблен, однако это стоило морской пехоте 1950 человек.
Ангаур был небольшим островком длиной 2 мили к югу от Пелелиу. Он требовался для сооружения аэродрома бомбардировщиков и был захвачен «дикими кошками» 81 дивизии 23 октября. 1600 упорно сопротивлявшихся японцев были перебиты. Проход Коссол в 60 милях севернее Ангаура стал базой 3 эскадрилий летающих лодок «Маринер», имевших очень большой радиус действия и занимавшихся патрулированием и разведкой. 5 звеньев РВМ, которые использовались в качестве спасательных самолетов, прибыли 16 — 17 сентября вместе с 4 плавбазами. 8 октября радиус поисков был увеличен до 775 миль, что принесло пользу во время операции на Лейте. Проход Коссол использовался как место пополнения припасов военными кораблями с транспортов снабжения.