在1943年底的德黑兰会议上，罗斯福、丘吉尔和斯大林最终确定于1944年5月在法国大西洋沿岸实施大规模战略性登陆战役以开辟欧洲第二战场的行动计划，其代号为“霸王行动”，预计投入近300万人的总兵力，艾森豪威尔被任命为盟军的最高统帅。
开辟第二战场
盟军将登陆地点敲定在诺曼底，为了投入更多的兵力进行攻击，还将原定于1944年5月实施的登陆作战延迟到6月初。为实施这一大规模的战役，盟军共集结多达288万人的部队。陆军共36个师，其中23个步兵师、10个装甲师、3个空降师，约153万人。海军投入作战的军舰约5300艘，其中登陆舰艇4126艘、战列舰13艘、巡洋舰47艘、驱逐舰134艘，此外还有紧急招募的5000余艘民用运输船。空军作战飞机1.37万架，其中轰炸机5800架、战斗机4900架、运输机和滑翔机3000架。
盟军计划首先在诺曼底登陆场的右翼空降2个美军伞兵师，切断德军从瑟堡出发的增援，并协同登陆部队夺取犹他滩头。同时在登陆场的左翼空降1个英军伞兵师，夺取康恩运河的渡河点。然后首批登陆部队共8个加强营分别在5个滩头登陆，迅速建立登陆场。在巩固和扩大登陆场后，后续登陆部队上岸，其右翼先攻占瑟堡，左翼向康恩运河至圣洛一线发展，掩护右翼部队的进攻。接下来登陆部队将攻占卡昂、贝耶、伊济尼、卡朗坦、布勒塔尼等地，最终直取巴黎。为了掩盖真正的登陆地点，盟军实施了大量的欺骗行动，例如在英国东南部地区制造部队和船只集结的假象、运用双重间谍向德军提供假情报等，甚至还把巴顿将军调至英国东南部沿岸，让其公开发表登陆作战的言论。这些欺骗行动让德军最高统帅部将西线大部分的德军部队配属在加来方向，而对诺曼底方向完全放松了警惕。
大西洋壁垒
此时，德军在东线战场上部署了179个师的兵力，约占德军总兵力的65%。而在西线的法国、比利时、荷兰只有58个师约74万人（由龙德施泰特元帅指挥），包括33个海防师、15个步兵师、8个装甲师、2个伞兵师。西线德军被编为2个集团军群：B集团军群驻守在法国北部，共39个师，是西线德军的主力，由从北非战场铩羽而归的隆美尔元帅指挥。驻守加来的是该集团军群下辖的第15集团军，集结了23个师的重兵；G集团军群驻守在法国卢瓦尔河以西地区，共19个师，由布拉斯科维兹上将指挥。此外，西线战场还有2个作为战略预备队的装甲师，由希特勒亲自指挥。
为了防备盟军从英国本土发动对欧洲大陆的反攻，早在1942年7月20日希特勒就下令开始修建从挪威北部至西班牙海岸的由1.5万个坚固支撑点构成的防线，即所谓的“大西洋壁垒”。希特勒要求防线在1943年5月1日之前完工，但实际上直到1944年5月盟军发动进攻前夕，大部分地区的防御支撑点都还没有完工。倒是隆美尔就任B集团军群司令后，督促完善了部分沿海地区的防御体系，在深海中布设水雷，浅海中设置斜插入海的木桩（被盟军称作“隆美尔芦笋”），海滩上修筑了锯齿状的混凝土角锥、坦克陷阱，其间还布设了大量地雷。此外，德军还在能俯视海滩的制高点构筑隐蔽火力点，在海滩后面的开阔地区布设大量防机降的木桩。这些防御工事使盟军在此后的登陆中遭受了不小的损失。
跨海大反攻
1944年6月1日，盟军登陆部队开始在英国南部15个港口上船。原定登陆日期为6月5日，但由于登陆海域气象条件十分恶劣而被推迟24小时。6月5日午夜时分，盟军轰炸机群开始对法国海岸沿线的德军实施大规模空中打击。与此同时，盟军空降部队开始在登陆滩头两侧距海岸10千米至15千米的纵深地带实施空降，扰乱守军的部署并阻止其可能实施的反突击。6月6日0时16分，英军第6空降师被空投至登陆场的左翼地区，顺利夺取佩加索斯桥，防止德军装甲部队经由此处向海岸方向实施增援直到登陆先头部队的到来。但美军第82、第101空降师就远没有英国人那么幸运，他们乘坐的运输机和滑翔机由于偏离航线而无法在预定区域空降，因此许多士兵着陆之后都失去建制，陷入独力作战的不利境地，伤亡惨重。
5时30分，盟军海军舰艇开始实施炮火准备。一个小时后，盟军部队开始从五个滩头阵地实施登陆作战。剑海滩是一段低矮的沙质陡壁下长约3千米的海滩，紧邻奥恩河口的韦斯特朗港，也是五个登陆滩头中最东边的一个，法国北部的航运中心卡昂位于该海滩南边的15千米处。负责剑海滩登陆的是英军第3步兵师及第27装甲旅，他们在抢滩成功之后很快就突破德军防御阵地，并于当日午后与先前空降内陆的伞兵部队会合。虽然随后赶到的德军第21装甲师对英军实施了顽强的反击，但最终还是被英军在黄昏时击退。当天在剑海滩登陆的29000名英军中，仅有630人伤亡。
朱诺海滩正面为沙丘地带，宽约10千米，德国守军部署在沙丘后方的村落中，对盟军登陆部队构成巨大威胁。朱诺海滩的登陆部队是加拿大第3步兵师及第2装甲旅，他们在登陆开始时就遭受重创，近1/3的登陆舰艇被德军布设的水雷和障碍物摧毁。虽然随后加拿大人轻松登陆成功，但在穿越沙丘地带时却遭到德军火力的巨大杀伤，登陆先头部队的伤亡率高达50%。接近中午时分，加拿大登陆部队才牢固控制朱诺海滩的登陆阵地，并向内陆挺进。此战加拿大部队官兵共有2.14万人，伤亡人数约为1200人。
金海滩是整个登陆行动的中心点，位于贝辛港和拉里维埃之间，此处海滩海岸的坡度较缓，对于英军第50步兵师及第8装甲旅的登陆十分有利。德军在海岸不远处设置4门155毫米重炮，在登陆过程中给英军制造了极大的麻烦。僵持一段时间之后，英国皇家海军舰艇的炮火将这些重炮摧毁，扫清了英军前进道路上的障碍。临近傍晚的时候，已有2.5万名英军顺利登岸，期间只有413名官兵伤亡。
在盟军登陆之前，隆美尔将战功赫赫的第352步兵师调至奥马哈海滩，成为5个滩头中德军防守最严密的一个滩头。奥马哈海滩位于卡朗坦河口以东，正面宽10千米，德军第352步兵师驻守在高30米的滩头峭壁之上，地势十分险要。负责在这里抢滩登陆的是美军第1步兵师及第29步兵师，他们乘坐登陆艇接近滩头时遭到德军炮火的猛烈打击，其中29辆水陆战车就有27辆被击沉。当登陆美军踏上滩头之后，德军的火力更加猛烈，美军伤亡率高达50%以上，奥马哈海滩附近的海水被鲜血染红。中午的时候，成功登陆上岸的美军在海军舰艇炮火的支援下，终于突破守军防线，建立登陆阵地。当天美军登陆人数为3.4万人，而伤亡人数达到2400人。
犹他海滩位于卡伦坦湾西侧，由一片低矮沙丘组成。虽然美军第4步兵师及第90步兵师实际登陆地点要比预定位置向东偏离近2千米，但走运的是德军在这里的兵力不是很多，美军在三个小时之内就越过滩头阵地，控制沿海公路，并与此前空降于敌后的空降部队胜利会合。犹他海滩登陆是诺曼底登陆战役中伤亡人数最少的抢滩登陆作战，2.3万名美军官兵中只有197名伤亡。
在1944年6月6日的登陆作战中，德军几乎没有组织起任何像样的反击，极具讽刺意味的是，B集团军群的司令隆美尔当天还在德国国内为妻子庆祝生日。6月12日，盟军各登陆地点成功地连接成登陆场，大批盟军部队源源不断地从英国本土运来。6月21日，美军部队攻占瑟堡，为盟军开辟海上运输通道。至7月24日，诺曼底登陆战役胜利结束，盟军已在法国沿海地区构筑了一个正面宽150千米、纵深13千米至35千米的登陆场，为随后展开的大规模战略反攻奠定了坚实基础，并加速纳粹德国的溃败。
