Моротаи сыграл большую роль в последовавших операциях, так как был единственной авиабазой союзников, с которой истребители и легкие бомбардировщики союзников могли действовать над Лейте. V Воздушная Армия использовала его как трамплин и держала наготове 162 самолета, дожидаясь, пока будут готовы новые посадочные полосы.
15 сентября III Десантное адмирала Уилкинсона высадило войска на Пелелиу, самом южном из островов Палау. Здесь дела пошли совсем иначе, чем на Моротаи. Адмирал Хэлси предлагал обойти Пелелиу, так же, как и Минданао. Однако адмирал Нимиц отказался отменять уже подготовленную десантную операцию, так как войска уже находились в море. Кроме того, он считал, что острова Палау будут нужны в качестве промежуточной базы для самолетов и кораблей, направляющихся к Лейте. Они действительно оказались полезными, но вряд ли совершенно необходимыми. Оказалось, что захват Пелелиу и соседнего небольшого островка Ангаур стоил жизни такому же числу американцев, как на участке Омаха в Нормандии. Это была одна из редких ошибок командующего силами Тихого океана.
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.