艘巡洋舰所进行的近距离直接舰炮火力准备。
11月20日4时，驶抵贝提奥岛附近的南部突击部队下令“开始放艇”。30分钟后，运输船所搭载的大部分登陆艇已经放到海上，并在登陆艇会合区进行环形运动。突击上陆的第1波登陆兵已经进入坦克登陆舰运来的履带登陆车。5时刚过，贝提奥岛上的日军岸炮开始开炮，希尔的炮火支援舰群立即回击，压住了敌人的岸炮火力，并使敌人的弹药库和木造营房起火。按原定计划，天一亮舰炮就停止射击，然后由蒙哥马利的南部航空母舰特混大队的舰载机对贝提奥岛进行交袭。但是，蒙哥马利的舰载机未能按时出击。蒙哥马利已通知希尔，他的飞机因故推迟到6时10分日出时开始突击。但是，希尔的旗舰“马里兰”号战列舰首次齐射时，收信机就被震坏，既未接到上述通知，也无法同蒙哥马利进行联系。希尔的炮火支援舰群停止射击时，日军岸炮射来的炮弹在附近爆炸，因而不得不向后撤退。日出时美军舰载机按计划飞来，对贝提奥岛进行数分钟的稀疏轰炸后离去。
6时20分，开始实施突击上陆前的舰炮火力准备。希尔的战列舰和巡洋舰按照新近总结出来的舰炮火力准备方法，对贝提奥岛进行两个半小时的炮击，倾泻将近3000吨炮弹。舰炮射击的距离不等，最远的为14000米，最近的为1800米。美军井然有序地对贝提奥岛进行75分钟的破坏射击。美军企图以此来破坏日军的防御工事，摧毁它的火炮阵地、火力点、掩蔽部以及设在地堡里的指挥所等。然后，炮火支援舰群转到登陆地域的正面，对水际滩头进行长达45分钟的猛烈射击，以便把日军驱逐出阵地，让敌人精神沮丧。在第一波登陆兵抵岸前5分钟，战斗机对水际滩头实施猛烈的扫射，而炮火支援舰群则向纵深转移火力。美军以为这样便能使贝提奥岛失去防御能力。
猛烈的炮击显得格外壮观，整个海岛化为一片火海，弥漫的硝烟如同一个巨大的棺材罩扣在贝提奥岛上，滚滚翻腾，直冲云霄。贝提奥岛确实遭到了破坏，但是并不十分严重。许多日本官兵战死，一些岸炮、高炮和反登陆艇炮被摧毁，大部分地面工事遭到破坏，伪装的掩蔽物也被烧毁。尤其严重的是，日军赖以进行通信联络的电话线完全被炸断。但是，日军设在地堡里的指挥所、掩体、隐蔽的火炮阵地几乎都未受到严重的破坏。守岛日军仍可使用小口径火炮、机枪和步枪封锁岸摊，对企图接近的美军登陆部队进行射击。
正当实施舰炮火力支援时，有两艘扫雷艇在烟幕的掩护下向岛岸接近，清扫进入礁湖的航道。然后，一艘扫雷艇留在礁湖内，负责标定突击上陆部队的出发线；另一艘则返回去引导两艘驱逐舰前来对登陆地段进行炮击。有一艘驱逐舰中弹两发，但炮弹末爆炸。另有4艘装载坦克的船坞登陆舰也安然开到这里。
这时，登陆艇已由礁湖外的会合区出发，正向礁湖内的出发线前进。但是，由于顶风、浪大、退潮和履带登陆车发生故障等原因，行动非常迟缓，希尔不得不把原定的上陆时间推迟。8时25分，第一波搭载登陆兵的履带登陆车，分为3个登陆队，按3分钟的间隔，陆续离开出发线，向离5500米远的岸摊前进。第2波搭载登陆兵、坦克和小口径火炮的机械化登陆艇和车辆人员登陆艇，也分为3个登陆队，在第1波后面跟进。第4、5、6登陆队共输送3个营的兵力，由西向东，分别在“红1滩”、“红2滩”、“红3滩”登陆，各海滩的宽度均为350米。
当第1波驶离出发线时，舰载战斗机飞临登陆地域上空，进行登陆兵抵岸前的最后一次扫射。由于“马里兰”号战列舰的收信机再次发生故障，希尔没有接到推迟上陆时间的通知。但他考虑到第1波登陆队至少要在45分钟以后才能抵岸，因而决定再次推迟上陆时间。8时45分，浓密的烟幕遮住了火力支援舰群的视线，希尔已经看不到正在向敌岸急驰的登陆队，他担心误击登陆艇，则命令礁湖外的火力支援舰群停让射击。这时，第1波的第1登陆队再过15分钟才能抵岸。
在美军耽搁的这段时间里，日军从其阵地的掩体和掩蔽部里出来，在壁垒的后边集结，准备对正向这里运动的美军第1波突击部队进行反击。显然，由于炮火支援舰群从西面炮击，礁湖内的驱逐舰和扫雷艇也不断射击，贝提奥岛上的日军不得不把兵力集结到两个主要防御阵地上，因而最右侧以及左侧中部的防御就比较薄弱。美军已经判明，这个“弱点”就是夺取贝提奥岛的关键。
美军的履带登陆车刚一离开出发线，就受到日军的猛烈射击。美军所担心的是，礁盘的水深只有0。6…0。9米，履带登陆车只能从一个地方通过礁脉，因而必然遭到步枪、机枪和反登陆火炮的猛烈射击，使各登陆队陷入混乱。当时出现的另一不利情况是在通过礁盘向岸滩接近时，预定在“红1滩”上陆的一个营遭到很大损失。这是因为，该营的履带登陆车处于日军两侧抗登陆阵地的侧射火力之下，多数履带登陆车在途中中弹失击机动能力，只有少数勉强抵岸，能回航再次运送的为数更少。
受到更大损伤的是搭乘一般登陆艇被隔在礁盘外面的第4、5、6登陆队。登陆兵中，有的人跳入深水，因装备沉重而被淹死；其余的人，由回航的第1波履带登陆车向岸滩运送。驶入较浅的水域后，大部分登陆兵在机枪和步枪的猛烈射击下，涉水550米冲上岸滩。由机械化登陆艇卸在礁盘上的几辆谢尔曼式坦克虽已驶抵岸摊，但搭载37毫米和75毫米炮的车辆人员登陆艇却不得不后退，等待涨潮时再行上陆。
低潮对登陆艇的行动虽有妨碍，但对已经上陆的海军陆战队却是有利的。因为低潮时的岸滩较宽，便于集结兵力，以对付日军守岛部队的反击。海军陆战队在“红1滩”的最右面迅速占领了该岛的西北端。在“红3滩”右侧有个栈桥，从岸上伸展到礁湖之中。在栈桥以东180米的壁垒有个缺口。搭载约50名海军陆战队员的两辆履带登陆车由此处突破，其他海军陆战队员跟进，在侧翼日军的猛烈射击下，把突破口向西、南两个方向扩大。在设防坚固的水际滩头和两个强固支撑点的附近海军陆战队遭到很大伤亡。海军陆战队前进到这里，为日军壁垒所阻，寸步难行，面壁而立，成了几个方向的射击目标，不断出现伤亡。首次突击之后，海军陆战队开始攀登壁垒，并用梯恩梯炸药炸毁了日军的火力点和掩体。
突击部队指挥官戴维·肖普上校，命令团预备队立即投入战斗。随后，上校向坐镇“马里兰”号战列舰的师长朱利安·史密斯将军发报，请求立即给予舰炮火力支援和航空火力支援。师长不仅满足了肖普的要求，而且抽调师预备队二分之一的兵力，增援海军陆战队遭受严重损失的左翼。后来，朱利安·史密斯得知岸上战斗进行得非常困难，便请求当时在马金附近的霍兰·史密斯将军派遣军预备队予以支援，并获得同意。
11月20日天黑之前，在贝提奥岛上陆的5000名美军中，伤亡者约占三分之一。入夜时，在日军抗登陆阵地附近上岸的海军陆战队有一大部分不是战死，就是被困在水际滩头。但是，西面海岸已有一半被美军占领。其纵深约为140米。在栈桥附近，海军陆战队已建立了一个纵深270米、宽460米的环形阵地。夜间，登陆部队对射击严加控制。美军预科，日军可能发起反击，但是没有发生。这也说明柴崎司令只能与所辖的少数部队取得联系。夜间，日军的主要活动是，分散地隐蔽在岸上的适当地点，或涉水摸到搁浅在礁盘上的履带登陆车或坦克旁边，准备翌日进行狙击。由于此时此地的条件特殊，潮水过低，搁浅在礁盘上的登陆艇仍然不能离浅。但是，履带登陆车可把小口径炮运上岸滩，以满足第1天战斗的急需，有一部分坦克亦可勉强抵岸。
上陆后的第2天，舰载机的航空火力支援和舰炮的支援火力越来越准确。据海军陆战队右翼的舰炮射击弹着观测员报告说，由于驱逐舰对日军阵地的射击非常准确，登陆部队在贝提奥岛西海岸突击上陆的过程中，没有遇到日军的顽强抵抗。从军预备队中派出的一个营，在“绿滩”上陆。在栈桥附近上陆的海军陆战队也把登陆点向外扩大，日落前，已将战线推进到该岛南岸。
上陆后的第3天，即11月22日，军预备队的另一个营也在“绿滩”上陆。由于突击上陆阶段已告结束，朱利安·史密斯将军便上岸实施指挥，任务是摧毁“红1滩”和“红2滩”接合部的日军环形阵地，由西向东前进。对日军进行两面夹击的主要目的是摧毁其永备发射点和掩体。由坦克和火炮来完成这项危险的任务最为有利，可是，通常都是派步兵使用火焰喷射器和梯恩梯炸药包来完成的。
自11月22日夜至23日拂晓，被压到该岛东部狭长地带的日军先后发起3次反击。由于这几次反击，日军受到很大伤亡，美国海军陆战队便能在23日迅速突破日军的阵地，进至该岛的东端。在此之前，“红1摊”和“红2滩”之间的日军抗登陆阵地，由于遭到美军从几个方向实施的合击（其中包括从正面进行的步、炮协同进攻），已被打垮。
23日下午，朱利安·史密斯将军宣布日军有组织的抵抗已告结束时，日军实际上已被全歼。日军中仅有1名军官和16名士兵投降，另有100多名朝鲜劳工当了俘虏。参加塔拉瓦登陆作战的美国海军陆战队和海军约为18300人，共伤亡3000余人，其中仅战死或负伤后死亡的就有1000多人。
速战速决的吉尔伯特群岛登陆战役，在人员方面损失较多，使美国上下甚为震动。当时，美国国民还不能马上理解，吉尔伯特群岛登陆作战的任务是集中在几天之内完成的，所以付出的代