Berbeda dari bukunya yang memakai jalan cerita linear, film ini dikisahkan secara in media res, peristiwa-peristiwa dalam pertempuran disajikan melalui serangkaian kilas balik. Bersama film ini, Eastwood juga membuat sebuah film lain, Letters from Iwo Jima yang mengisahkan Pertempuran Iwo Jima dari sudut pandang Jepang. Dua bulan setelah Flags of Our Fathers beredar pada 20 Oktober 2006, Letters from Iwo Jima diedarkan di Jepang pada 9 Desember 2006 dan di Amerika Serikat pada 20 Desember 2006. Steven Spielberg juga bertindak sebagai salah satu dari tiga orang produser bersama-sama Eastwood dan Robert Lorenz.
Pada Desember 1944, Korps Marinir Amerika Serikat dilatih di Kamp Tarawa, Hawaii. Sebelum diberangkatkan ke Iwo Jima, mereka dilatih mendaki gunung dan naik kapal higgins. Seperti dikatakan Kapten Severance, mereka akan bertempur di wilayah musuh dan menemui perlawanan keras. Beberapa hari kemudian, armada Angkatan Laut Amerika Serikat sampai di lepas pantai Iwo Jima dan mulai menembaki posisi-posisi pertahanan Jepang. Pada malam sebelum pendaratan, Mike ditugaskan sebagai komandan Peleton Dua.
Pada hari berikutnya, 19 Februari 1945, prajurit marinir didaratkan di pantai dengan kapal pendarat, tetapi tidak menemui perlawanan sama sekali. Seperti halnya prajurit marinir yang lain, Ralph, alias "Iggy" menyangka bombardemen angkatan laut telah menewaskan semua tentara Jepang. Ketika para prajurit marinir mulai bergerak semakin jauh di daratan, mereka dijadikan sasaran tembak Jepang. Pertempuran berlangsung dengan sengit, korban terus berjatuhan di pihak marinir. Artileri berat Jepang menembaki kapal-kapal Angkatan Laut Amerika Serikat dan para marinir yang masih berada di pantai. Setelah beberapa kali gagal, Peleton Dua akhirnya berhasil melumpuhkan gardu pertahanan Jepang yang membuat repot mereka. Bersama-sama dengan peleton marinir lainnya, mereka bergerak maju sementara perlawanan musuh makin berkurang. Daerah pantai sudah aman. Dua hari kemudian, prajurit marinir menyerang Gunung Suribachi di bawah hujan tembakan artileri dan senapan mesin Jepang. Kapal-kapal angkatan laut membantu dengan melakukan bombardemen ke arah punggung Gunung Suribachi. Dalam pertempuran merebut Gunung Suribachi, John Bradley alias "Doc" menyelamatkan nyawa banyak prajurit marinir yang terluka. Atas jasanya Doc kemudian menerima penghargaan Navy Cross. Gunung Suribachi akhirnya juga berhasil diamankan. Para prajurit marinir menghabiskan empat malam berikutnya bersembunyi di lubang perlindungan untuk menghindar dari tembakan Jepang.
Pagi 23 Februari, peleton di bawah komando Hank diperintahkan mendaki Gunung Suribachi. Mereka sampai di puncak gunung dan mengibarkan bendera Amerika Serikat. Setelah peristiwa bersejarah tersebut, peleton marinir ditembaki oleh penembak jitu Jepang yang kemudian berhasil dihabisi tanpa ada seorang marinir pun yang menjadi koroban. Ketika Menteri Angkatan Laut James Forrestal tiba di Iwo Jima. ia meminta bendera yang dikibarkan di puncak Suribachi. Kolonel Johnson sangat marah, tapi akhirnya menyerah dan menyuruh Kapten Severance untuk menurunkan bendera tersebut dan menggantinya dengan bendera yang lain. Severance menugaskan Rene, seorang pesuruh naik ke atas gunung mengganti bendera bersama Peleton Kedua. Ketika mereka sampai di puncak gunung, mereka menurunkan bendera pertama. Mike, Harlon, Doc, Ira, Rene, dan Franklin kemudian mengibarkan bendera kedua. Peristiwa ini sepertinya tidak penting, tetapi diabadikan oleh fotografer perang bernama Joe Rosenthal. Hasilnya adalah foto Pengibaran Bendera Iwo Jima yang abadi sepanjang masa.
Pada 1 Maret, Peleton Kedua sedang berpatroli ketika diadang oleh tim senapan mesin Jepang. Mike memerintahkan Harlon untuk meminta pasukan para yang dipimpinnya agar menetralisir gardu senapan mesin. Seorang penembak dari marinir tertembak. Mike memeriksa marinir yang ternyata tewas. Ia berbalik dan memerintahkan unitnya untuk bergerak naik. Beberapa saat kemudian, Mike terempas setelah peluru meriam yang ditembakkan angkatan laut mendarat tepat di sebelah kanannya. Di tengah asap dan kekacauan, seorang prajurit Jepang mengambil alih senapan mesin. Sebelum tewas tertembak, prajurit tersebut melepaskan tembakan ke arah Mike hingga menderita luka-luka berat. Doc melakukan segala yang dapat dilakukan, tetapi Mike akhirnya tewas dalam beberapa menit. Kematian Mike membuat moral peleton runtuh. Hank tertembak di bagian dada dan tewas hampir seketika. Harlon tewas akibat tembakan senapan mesin beberapa jam kemudian. Dua malam kemudian ketika Doc sedang menolong marinir yang terluka, Iggy diculik tentara Jepang dan diseret ke gua. Jasad Iggy yang penuh bekas-bekas siksaan ditemukan beberapa hari kemudian oleh Doc. Franklin tewas di pelukan Ira pada 21 Maret akibat tembakan senapan mesin. Dari delapan prajurit dalam satu peleton, hanya 3 prajurit yang selamat, Doc, Ira, dan Rene. Beberapa hari setelah tewasnya Franklin, Doc terluka akibat tembakan artileri ketika mencoba menyelamatkan seorang rekan satu korps. Doc selamat dan dikirim pulang ke tanah air. Pertempuran berakhir pada 26 Maret dengan kemenangan Korps Marinir Amerika Serikat.
Media massa memuat foto pengibaran bendera kedua di Iwo Jima. Ketika ditanya nama-nama prajurit dalam foto, Rena menyebutkan lima nama. Selain dirinya sendiri, Rene memberi tahu keempat rekan dalam foto adalah Mike, Doc, Franklin, dan Hank. Rene mengira, prajurit yang memegang bagian pangkal tiang adalah Hank, padahal sebenarnya adalah Harlon. Ia juga berkata bahwa Ira adalah prajurit keenam dalam foto. Pernyataan tersebut dikoreksi oleh Ira yang mengatakan prajurit keenam bukanlah dirinya, melainkan Harlon. Ira bersikeras menyangkal dirinya ada di dalam foto. Ia bahkan sampai mengancam dengan meletakkan bayonet di leher Rene. Walaupun sudah diberi tahu Rene bahwa mereka akan dikirim pulang, Ira tidak juga mau mengaku. Setelah diancam akan dikirim kembali ke medan pertempuran, Rene akhirnya menegaskan bahwa prajurit keenam adalah Ira. Hal tersebut dikatakannya kepada Sersan Keyes Beech yang bertindak sebagai pandunya selama di Washington, D.C.. Namun Rene tidak memberi tahu bahwa prajurit yang memegang pangkal tiang adalah Harlon, bukan Hank.
Setelah keluar dari rumah sakit, Doc bersama-sama Ira dan Rene ditugaskan berkeliling ke negara-negara bagian mempromosikan penjualan obligasi perang. Ketika berada di Washington, mereka bertemu dengan Bud Gerber dari Departemen Keuangan Amerika Serikat yang menyambut mereka sebagai pemandu wisata. Doc mengetahui bahwa ibu Hank masuk ke dalam daftar ibu-ibu dari pengibar bendera yang tewas. Ira menjadi sangat marah. Mereka bertiga sepakat tidak akan memberi tahu siapa pun bahwa prajurit misterius yang memegang pangkal tiang bendera adalah Harlon Block dan bukan Hank.
Ketika mereka bertiga berkeliling untuk mempromosikan obligasi perang, Ira mulai sering mabuk. Ketika mengibarkan bendera di Soldier Field, Ira begitu mabuk dan muntah di hadapan komandan Korps Marinir Jenderal Alexander Vandergrift. Vandergrift berang kepada Bud dan Keyes, dan memerintahkan agar Ira dipulangkan. Ketika disuruh pulang oleh Keyes, Ira mengaku dirinya tidak tahan lagi diperlakukan sebagai pahlawan, dan Mike adalah pahlawan yang sejati.
September 1945, perang berakhir. Doc, Rene, dan Ira pulang ke tanah air. Pada suatu hari pada tahun 1952, Ira yang baru keluar dari penjara menjadi pembonceng hingga ke Texas yang jaraknya lebih dari 2.000 km demi bertemu keluarga Harlon Block. Ia mengaku kepada Ed Block (ayah Harlon) bahwa prajurit yang memegang pangkal tiang bendera dalam foto adalah Harlon. Ketiga pengibar bendera di Iwo Jima bertemu kembali untuk terakhir kalinya pada tahun 1954 ketika Tugu Peringatan Perang Korps Marinir Amerika Serikat diresmikan. Ira meninggal dunia tahun berikutnya setelah minum-minum sepanjang malam. Pada tahun yang sama, Doc pergi mengendarai mobil ke kota tempat tinggal ibu Iggy dan menyampaikan kepadanya tentang cara kematian sang putra. Rene bekerja sebagai pesuruh di sebuah sekolah menengah atas hingga meninggal dunia pada tahun 1979. Doc menjadi pengusaha rumah duka yang berhasil hingga akhir hayatnya. Pada tahun 1995, sebelum menghembuskan napas terakhir, Doc berkata kepada putranya, James, tentang Kapten Severance yang mengajak anak-anak buahnya berenang setelah mengibarkan bendera. Dalam adegan kilas balik ke tahun 1945, para prajurit berenang di laut setelah mengibarkan bendera.
