1944年6月1日，经过数月战役准备的盟军登陆部队分别在英国南部的15个港口上船。按照预定计划，各登陆编队于6月3 日拂晓启航，先驶抵英国南部的怀特岛南侧海域会合，然后驶往登陆地域。但出于气候恶劣，艾森豪威尔于6月4日宣布将登陆日由原定的6 月5日推迟24小时。此间，美英战略航空兵仍不间断地在德军后方实施空中阻滞轰炸。

6月6日凌晨，盟军3个空降师（美第82、第101和英第6空降师）组成的突击梯队共1.7万人，分乘1200架运输机，在登陆地域的浅近纵深进行了伞降。伞降地域为：美军第82、第101空降师在科唐坦半岛南端，英第6空降师则在奥恩河口附近。其任务是夺取海滩堤道和主要公路、桥梁，占领主要登陆地段的翼侧，以阻止德军增援，保障登陆部队上陆。

在空降过程中，美第101空降师突击梯队的3个团，遭到地面高射炮火的严重袭扰，队形散乱，致使伞兵的散布面积竟达960平方公里，给着陆后的集结带来了极大的困难，在相当长的时间内无法实施集中。美第82空降师也遇到了同样的情况，伞降人员散布面积过广，使2个团不能及时集结足够的兵力抵抗德军的猛烈反击。尽管如此，美军第101和第82空降师还是完成了预定任务。

英第6空降师的行动较为顺利，虽然其伞兵散布的面积也较大，但由于德军未能及时查明伞兵的中心着陆位置和兵力规模，因而未能及时发起攻击，使英军有充足的时间加强对奥恩河上桥头堡的防御，同时他们还攻占了德军海岸炮兵阵地。

6月5日午夜至6日晨5时，盟军出动了2600余架重型、中型轰炸机以及战斗机，对登陆地域及附近地区实施了航空火力准备，共投弹约1万吨，平均每公里登陆正面上的投弹密度100吨以上。5时30分，盟军出动5个舰炮火力支援大队的100多艘火力支援舰，对80公里宽的登陆正面实施舰炮火力准备，随即转入火力支援。

6时30分～7时45分，盟军登陆部队按各自的登陆时间分别在5个登陆地段突击上陆。

犹他海滩在5个登陆地点的最西端，位于科唐坦半岛东岸。海滩本身是一个坡度不大的黄沙坡，沙坡上有几道抗登陆障碍，宽度有270米～360米。越过障碍后就是几米长的干沙滩，干沙滩后面是90～160米的低沙丘地带。这里德军构筑了一道混凝土堡垒，位于盟军实际登陆地点的北端，过了德军的堡垒就是一段3.2公里的荒地连接内陆。

犹他海滩登陆的部队是美军第7军第4师，第一批上陆部队是第8团。5时30分，第8团分乘26艘登陆艇，在控制艇的引导下冲向海滩。此外32辆坦克随同第8团一起登陆，其中的28辆顺利上岸。在驶往海岸2海里的路程中，2艘登陆艇触雷沉没。在距离岸边90米时，步兵跳入水中涉水前进。当部队到达陆地后，一路上没有遇到德军守备部队的任何抵抗。

这时他们才发现，由于部队没有观察到登陆地点提前设置的标识，他们的登陆地点比计划偏离了1800米，从而误打误撞绕过了德军的堡垒。在向前推进450米后，盟军开始遇到德军的零星抵抗。由于德军完全没有预料到盟军会在这里登陆，所以守备极其薄弱，滩头的德军战斗力也非常弱。在盟军登陆前实施炮火准备时德军就吓得躲在掩体里没再出来。

美军第4师的意外收获让前线指挥官立即调整方案，后续的两个团也从第8团的位置上陆。很快，巨大的标识竖立在滩头，指引第二波次部队登陆。至当日傍晚，美军第4师全部上岸，他们与提前空降的第101空降师取得联系，后者已经提前攻占了海岸堤道出口。

奥马哈海滩宽6.4公里，两端各有一道高达30米的悬崖陡壁俯视滩面，滩面先是一段很长的坚硬的沙质岸坡，尽头是陡峭的鹅卵石边岸，后面大部分是防波堤，少部分是柔软的沙丘，这里无法通过车辆。整个滩头有4条狭窄的河谷可供车辆通行，跨过防波堤是一片沼泽，之间有一条铺石公路和几条马车路通往内陆。在海滩不远处还有一座45米的高地。

德军在这里的防御异常坚固，在海滩上就设置了3道水下障碍物，第一道是2×3米的钢质构架，上面挂满了水雷；第二、第三道是2.4～3米的木质或者混凝土材质的拒马，上面也有水雷。此外，在沙滩上密布反坦克壕沟和地雷，每条可通行车辆的河谷都设置了大量火力点，尤其是俯视滩面的高地，火力点布设得最为密集。在海岸身后的居民点，德军也布置了重兵。

在奥马哈登陆的是美军第5军第1师。由于海底有障碍物，盟军的登陆艇无法前进，不得不停滞在海上，有的被德军的炮火击中。计划上岸的32辆坦克，实际只有5辆成功登陆，其余都沉入了海底。第一批步兵跳入水中时，即遭到德军炮火和机枪的射击。负责开辟道路的14个水下爆破队以52%的伤亡代价开辟了5条通道和3条不完整的通道，第二波次部队3个团提前上陆。

当他们陆续抵达海滩时，滩头上已经是一片混战，第一批登陆的部队中，西面登陆的第116团已有3个连几乎全部阵亡，其余连队也损失过半；东面的第16团情况同样如此，E连已经全部阵亡，F连仅剩下2名军官。

战斗最激烈的是奥马哈海滩西端的霍克角，这里是一个钝角三角形状的区域，高处有35米。驻有德军1个岸防炮连，装备6门155毫米火炮，射程22500米，可以控制犹他和奥马哈两个海滩登陆地段。负责夺取这里的是美国陆军第2游骑兵营的200名经过特别训练的士兵，指挥官是拉德中校。为了能够爬上悬崖，拉德中校的部队配备了3对（6个）火箭筒，可以将攀爬绳发射到悬崖上面去，部队还携带着可以拆装的梯子，能够很快接到33米长，同时改装的4辆水陆汽车上装备了30米长的消防梯，所有设备都曾经在英国进行过实验，验证了他们的有效性。

D日H时，第2游骑兵营乘坐12艘登陆艇和1辆坦克登陆艇，在2艘火力支援登陆艇的掩护下向霍克角出发。7时8分，游骑兵营在遭受一定损失的情况下上陆，到达海角脚下。

由于悬崖太陡峭，水陆汽车的消防梯根本架不起来，火箭筒此时发挥了作用，150名游骑兵营的队员们借助火箭筒射出的攀爬绳和连接好的梯子爬到了悬崖顶端。

随后，队员们沿扇形展开，开始攻击德军的炮兵阵地。但霍克角上的德军炮兵阵地并不存在，只有几门假炮伫立在那里，原来德军已经把火炮转移，他们打算将这一带的工事进一步完善后再将火炮迁回，驻守在这里的是岸炮连的炮兵士兵和清晨赶来的德军一支数百人的增援部队。拉德命令一部分队员反击当面敌军，另一部分队员继续向前搜索。8时30分，搜索队发现了4门155毫米火炮，队员们向他们投掷了含有铝热剂的燃烧手榴弹，大炮立刻燃起了大火，队员们终于完成了任务。

美军第1师是参加过突尼斯和西西里战役的部队，已经经历过战火的锤炼，滩头的部队逐渐从混乱中清醒过来，组成若干个战斗小组，他们从雷区中夺路而过，向德军的防御工事发起攻击。在军舰上指挥战斗的第1师师长冒着可能杀伤自己士兵的风险，命令驱逐舰抵近海岸向德军的炮群和火力点射击。驱逐舰的炮火发挥了巨大作用，德军的防御被突破，步兵在坦克的支援下开始向内陆进军，工兵则集中精力扫清了雷区。至当天傍晚，第1师的部队推进至纵深1.6~2.4公里。

在哥尔德海滩（金海滩），英第30军第50师组成两个梯队的战斗队形，在5公里宽的正面上陆。英军在该地段的登陆行动较为顺利，到6日日终时已占领了纵深约8公里的师级登陆场，并与其左翼的加拿大第3师建立了联系。

朱诺海滩位于哥尔德海滩以东7公里处的塞纳河口，海滩后面是一片沙丘。德军在这里构筑了很多钢筋混凝土堡垒和坚固的支撑点。海滩上的障碍物比较少，火炮只有4门99毫米海岸炮，守军是第716海防师的一个团。该团大多是俄罗斯人和波兰人，战斗力和士气比较差。

盟军登陆部队是加拿大第1军第3步兵师，并有1个坦克旅的支援。由于天气恶劣，登陆时间比预计晚了20分钟，这让他们错过了最合适的潮汐时段，部队登陆时海水正在上涨，登陆艇只能在被潮水淹没的障碍物之间卸下物资、车辆和人员，其中一个营乘坐的24艘登陆艇有20艘被水雷炸毁，该营在上陆前就损失了83%的兵力。

上岸后，在最东面的陆战队第48登陆袭击队遭到了德军机枪火力袭击，伤亡惨重。不久支援坦克抵达，盟军在这里建立了立足点。至傍晚时分，加第3师向内陆推进了11公里。

斯沃德海滩（剑海滩）位于奥恩河和卡昂河入海口处，是盟军5个登陆地点最东边的一个。这里海底礁石连绵，可供登陆的地区狭窄，只有4.8公里，一次上陆的部队最多1个旅。德军在这里构筑了堡垒工事，还有406毫米的海岸重炮，防御力量比较强。

负责在这里登陆的是英军第1军第3师。5时30分，登陆舰队遭到德军4艘鱼雷艇的攻击，击沉一艘盟军驱逐舰。7时30分，第一梯队开始登陆。出乎第3师的意料，预计的一场激烈的滩头争夺战并没有上演，他们顺利地抵达了滩头。10时，第二波次部队1个旅开始登陆，这一次他们遭到德军火炮的猛烈袭击。当晚，第3师已经向内陆推进了6.4公里，并与英军第6空降师建立了联系。

至此，盟军5个师在D日全部上陆，共计132715人、1.1万车辆、1.2万吨物资。包括空降部队，盟军伤亡9000余人，其中第82空降师伤亡1259人、第101空降师伤亡1240人、犹他海滩的美军第4师伤亡197人、奥马哈海滩的美军第1师伤亡2000余人、英军第6空降师伤亡800多人、哥尔德海滩（金海滩）的英军第50师伤亡400多人、朱诺海滩的加拿大第3师伤亡961人、斯沃德海滩（剑海滩）的英军第3师伤亡630人。

海军在当天的行动中损失驱逐舰4艘，护卫舰、炮艇、扫雷舰各1艘。

对于盟军的登陆，德军西线司令部的第一反应并不认为这是一次大规模的登陆，他们判断的依据是自己的雷达站并没有发出警报。而实际上，德军的雷达站遭到了严重的干扰，没有在第一时间发出警报。6时30分，B集团军群决定动用装甲部队，但通信已经中断，他们无法将命令传达给指挥官。部署在英、加军队登陆地点附近的第21装甲师，师长并不在指挥部，参谋长无权调动部队，他将手上仅有了一支包括24辆坦克的部队派出去反击英军。师长费丁希格返回指挥部后，他命令全师立即向朱诺海滩和斯沃德海滩之间的卢克镇反击。在途中他们头顶飞过约500架盟军运输机，这些飞机搭载的是英军第6空降师的后续部队及补给物资，而德军第21师师长误以为盟军要对其前后夹击，于是他命令部队立即后撤。

当天下午，希特勒得知盟军登陆的消息，他判断诺曼底的登陆是盟军的一次佯攻，所以命令预备队的坦克师禁止出动。

美军第1集团军司令布莱德利是D日登陆级别最高的盟军将领，他需要尽快掌握第1集团军已经上岸的部队。6月10日，英国首相丘吉尔、盟军地面部队总指挥、第21集团军群总司令蒙哥马利也抵达前线，为前线将士鼓舞士气，随同他们一起来的是大批的新闻记者，随后在英国的报纸上，铺天盖地地报道盟军成功登陆的消息。

然而此时盟军还没有在诺曼底地区建立统一的登陆场。从6月6日至6月12日，上陆的盟军同德军在诺曼底滩头展开了激烈的争夺战，德军因为还没有动用预备队装甲师，所以反击的效果并不理想。

盟军的首要目标是建立统一的登陆场。为此，美第5军的任务是巩固奥马哈滩头阵地并掩护右翼的美第7军。美第7军的任务是向科唐坦半岛的北部推进，最终夺取瑟堡。英第2集团军的任务是向纵深推进，控制巴犹至卡昂一线，并与美第8军取得联系。

在一周的激烈争夺中，盟军取得了较大的进展。在犹他、奥马哈海滩，美第1集团军的第5军和第7军与德军在伊济尼和卡朗唐之间进行了顽强的争夺，至6月12日终于突破了德军的拦截，建立起集团军级统一的登陆场。在英第2集团军当面，向卡昂推进的英军遭到了德军增援部队的阻击，失去了向卡昂、巴犹公路以南扩大登陆场的能力。

为分散德军的抵抗，英军的第二梯队加速上陆，英第30军和第1军分别从卡昂的东、西两侧向前推进，从而对卡昂形成了合围态势。到6月12日，盟军已在80 公里的正面上建立了集团军群统一的登陆场，并在累计输送了32.6万部队、5.4万辆车辆和10.4万吨物资上陆。然而从登陆场的纵深看，登陆部队的前进速度仍然较慢。在一周的时间内，盟军建立的登陆场纵深为13～19公里，平均每昼夜的前进速度仅为1.9～2.7公里。

在盟军登陆的第一周，德军的防御总体上比较弱，参加抗击盟军登陆的兵力总共约为12个师，比美英方面预先估计的还少8个师。究其原因，主要是因为德军最高统帅部未能正确地判断盟军的企图。德军方面错误地认为：盟军在诺曼底的登陆只是一种牵制性的行动，极易击退，而真正的登陆行动将在加莱地区展开。所以，德军始终在加莱地区保持了相当大的兵力，致使诺曼底地区的德军却得不到加强。

在诺曼底地区，由于德军指挥部内在战术上存在意见分歧，致使德军的行动缺乏统一的计划和组织。德军防御部队各自为战，逐次使用兵力，只能采取消极的防御行动，因而丧失了有利战机。到6月12日，德军认为已无法夺回被占领的海滩阵地，故停止反击，转入全面防御以阻止盟军进一步扩大登陆场，同时等待援兵。

在美军第1集团军正面，德军于6月13日组织党卫军第17装甲师，向卡朗唐发起反扑，企图以此分割美第7军和第5军的登陆场。到6月15日，美军挫败了德军的两次较大规模的反扑。与此同时，向北推进的美第4步兵师与德军在蒙特堡一带展开了激烈争夺，吸引了大批德军主力，造成其在科唐坦半岛中部防御的空虚，为盟军拦腰切断半岛创造了有利条件。

6月15日，美军在科唐坦半岛上组建起美第8军司令部，以指挥步兵第90师和第82、第101空降师的作战行动。该军任务是向南发展进攻，以保障美第7军夺取瑟堡港，由于美军后续部队源源不断地上陆，使美军第1集团军进攻正面的兵力由原来的2个军（5个师）发展到4个军（11个师），为此美军兵分两路∶第7军5个师向北进攻瑟堡；第5、第8和第19军3个军一线展开，在80公里宽的正面上向半岛以南发起进攻。

英军的进展十分缓慢，第2集团军的任务是攻占卡昂，其第7装甲师在向卡昂推进时，遭遇德军第2装甲师的阻击；另一路第1军的进攻也遭到德军部队的有效阻击。而英军第2集团军的后续部队第8军上陆集结的速度非常缓慢，此时德军的增援部队不断抵达，至6月18日，在英军进攻对面已经有德军4个装甲师。

6月21日，美第7军抵近瑟堡，并对该城完成半月形包围。6月22日，美军开发向瑟堡发动总攻，陆上野战火炮、海上舰炮和空中轰炸机对瑟堡城发动了猛烈的袭击。6月29日，德军投降，但他们在投降前，将瑟堡港口彻底破坏，这个被盟军寄予厚望的港口，直到8月下旬才开始投入使用。

7月3日，英军向卡昂发起了新的攻势，7月8日，攻入卡昂，夺取奥恩河以西地区。7月18日，美军第1集团军夺取了法国西部交通枢纽圣洛。至此，盟军的登陆部队已将登陆场扩大到卡昂一科蒙一圣洛一菜赛一线，形成正面宽150公里，纵深13～35公里的集团军群登陆场。这时，盟军已有13个美国师、11个英国师和1个加拿大师共计100万人、56.7万吨物资和17.2万辆车辆上陆，并完成了下一步转入陆上突破的战役部署。作为盟军攻占西欧大陆的第一阶段，诺曼底登陆战役至此结束。

此役，盟军伤亡12.2万人（其中美军7.3万人，英军和加拿大军4.9万人），德军伤亡11.4万人（其中包括4.1万名战俘）。此外，从6月6日～7月24日，盟军参加登陆行动的海军舰艇由于触雷、受潜艇和航空兵攻击、火炮射击和其他原因，损失旧式战列舰1艘、巡洋舰3艘、驱逐舰8艘、护卫舰3艘和小型战斗舰艇、运输船和辅助船只共48艘。