战役开始前，美国太平洋舰队航空兵对西加罗林群岛和菲律宾群岛日军基地实施猛烈突击，并对佩莱利乌岛和昂奥尔岛实施航空和舰炮火力准备，彻底摧毁水际滩头各种障碍物和岛上的表面阵地。9月15日8时30分，美军第1陆战师各团先遣分队搭乘两栖装甲车在佩莱利乌岛西岸突击上陆，至日终前夺占宽2.7公里、纵深0.4～1.3公里的登陆场。守岛日军先后进行三次反冲击，并利用夜暗派出小分队对美军滩头阵地进行袭扰，因兵力有限且无海军协同而收效甚微，遂撤往核心阵地据险固守。美军巩固登陆场后，经激战于19日夺取机场。22日，日军实施反突击，未果。美军以部分兵力肃清该岛南部日军残余，主力分两路沿东西海岸向北迂回，月底占领岛上平坦地区，随后集中兵力围攻日军核心阵地。9月17日8时30分，美军第81步兵师2个团在昂奥尔岛东、西海岸登陆。守岛日军奋力抵抗，但终因寡不敌众，被迫退守西北一小高地。美军以1个加强团的兵力实施攻击，于10月21日结束战斗。在佩莱利乌岛，日军利用伪装巧妙、战藏两宜的岩洞顽强阻击，昼伏夜袭，使美军遭受重大伤亡。美军使用火箭筒、炸药包和喷火器清剿藏于洞中的日军，至11月27日以伤亡9800人的代价占领全岛。