1944年6月6日凌晨，盟军伞兵部队首先发动攻击。盟军空降兵搭乘239架运输机与867架滑翔机实施登陆。6月6日凌晨1时15分，是世人永难忘怀的“登陆日”。就在那一刻，在法国的瑟堡半岛，120名美军先导官兵在月色中跳下座机。5分钟后，在西面80公里开外，首批英军空降兵也跳出了座机。3时14分，2219架轰炸机首先对德军海岸工事和滩头障碍物发起猛烈轰炸，一共投下7616吨炸弹。5时50分，海军重炮也开始轰击德军固定炮台和混凝土防御工事。6时30分，第一批突击部队搭乘4266艘舰艇，在海军炮火和10个战斗机中队的掩护下接近5个目标海滩，部队先放下水陆两栖坦克，由他们领先向滩头挺进。
其中奥马哈海滩的争夺最为激烈。奥马哈海滩的地形是一片凹进去的海滩，两端是30多米高的悬崖，悬岸之间的海岸逐渐上升，形成一片高地，向内陆延伸到0.8公里时，高地的高度达45米。在这段高地上有4个被小溪冲蚀的深谷，每个深谷各有一条狭窄的小路，车辆必须通过这4条通道才能到达内陆。海岸潮间带的宽度大约为270米，由硬沙质构成。接着是突然凸起的卵石堤岸，上面有蛇腹形铁丝网。隆美尔在此处修筑了鳞次栉比的哨所、炮楼，以防备盟军的空降行动。
德军充分利用这些有利的自然条件，在此处布设了异常坚固的防御地带。海滩靠岸的一半地区已经密集地设置了3排水下障碍物：“比利时牛棚门”——2×3米的钢质构架，柱上多有饼状水雷；纵深达2.4～3米的木质或混凝土拒马，其中l/3挂有水雷；带角钢质拒马——全部挂有水雷，在平坦的沙滩上密布着反坦克地壕和地雷，每条通路周围都有大量的火力点。而更可怕的是，担任此次任务的美第五军的第二十九师和第一师的两个团对这里的情况了解甚少。美军原以为防守在这里的应是战斗力很差的海防第七十六师，但实际上在此防守的却是战斗力很强的德军第三五二师。
在奥马哈的西半部，H时（6时30分）之前13分钟，盟军的28辆水陆坦克开始爬上海滩，但很快遭到德军的反击。其中盟军的2辆坦克登陆艇被击穿在海滩上，9辆坦克被击中起火。东段比西段更惨，指定在东段登陆的32辆坦克只有5辆上了岸。
第一批部队虽然准时于H时开始登陆，但烟雾、大风、潮流使队形大乱，士兵们在1米深的水中冒着敌人猛烈的射击前进，许多人死在德军的枪口下和不断上涨的潮水里。在西部登陆的一一六团，A连伤亡66％，E、F、G3个连几乎全部阵亡；在东部的第十六加强团情况更糟，本应在E红滩登陆的E、F连却登上了F绿滩，而本该在这里登陆的一连却跑到了根本不打算用的F红滩。这里的伤亡更是惨不忍睹，该团E连连长及104人阵亡，共有180人的F连仅有2名军官幸存。
负责开辟通路的14个水下爆破队以52％伤亡的巨大代价开辟出了5条通路和3条不完整的道路，但又未能标示出来。但是美军也异常顽强地继续向海岸冲去，各突击部队基本上都在按10分钟的间隔前赴后继地向岸上冲去，在海军舰艇强大的火力支援下，一步步地向前推进。下午，当第二梯队的B编队到来时，情况已大有好转，部队前出纵深已达1.5～2.5公里。为此美军付出了2500人的代价后，才夺下滩头阵地。虽然没有达到预定的目标，但也终于突破了“大西洋壁垒”。傍晚，美第五军3.5万人登上海滩。此时，其他4个登陆点的盟军也巩固了滩头阵地，并在海空军的支持下向纵深发展。
德军对盟军在诺曼底的登陆行动大吃一惊。隆美尔不在，他的参谋长斯派达尔认为更大规模的进攻是在加来地区，不愿将第二十一装甲师投入诺曼底地区。西线总司令伦德施泰特元帅起初也持相同看法。但后来伦德施泰特终于反应了过来，大约清晨6时许，他首次向最高统帅部报告了形势概况，说一切迹象表明，敌人登陆已经开始，登陆地点显然在诺曼底。并请求批准装甲师组成的预备队从待机地域向前线开进。因为希特勒事先曾交代过没有他的批准，谁也不能调动这些装甲师。而此时有熬夜习惯的希特勒刚刚休息，总参谋长约德尔不愿打扰他上午的睡眠，况且约德尔仍然认为盟军在诺曼底的行动极有可能是佯攻，真正的主攻地点恐怕还是加来地区。直到6日中午例行汇报时，约德尔才向希特勒报告了盟军在诺曼底登陆的情况。希特勒立即行动起来，批准派谴第SS12党卫装甲师和李尔装甲教导师赶到诺曼底去。并下令第七集团军必须最迟在当晚肃清盟军的滩头阵地。
6月6日上午10时许，隆美尔才从他的参谋长斯派达尔的电话里获知盟军登陆的消息。他急忙驱车赶回法国。还在途中，他就下达了第二十一装甲师马上进攻的命令。6月6日夜间10点，隆美尔终于赶回了他的司令部，而在登陆战线上的第七集团军和第二十一装甲师，正拼命阻止猛扑过来的攻击，现在每一件事只有靠装甲师了。他立即命狄特里希指挥第二十一装甲师和第SS12党卫装甲师于7日清晨发动反攻，可是第二十一装甲师自开战以来的苦斗仅剩下70辆坦克。而第SS12党卫装甲师从120公里外的驻地冒着盟军飞机的猛烈轰炸，7日9时才赶到战地，沿途损失惨重，急需整顿。狄特里希不得不一再推迟反攻。此时李尔装甲教导师在盟军飞机的猛烈轰炸下进展缓慢，还在赶往战地的途中。6月8日，李尔装甲教导师终于赶到，但沿途已损失了90辆坦克。隆美尔命狄特里希将第二十一装甲师、第SS12党卫装甲师和李尔装甲教导师3个装甲师全用上，企图将盟军赶下海去，但盟军有强大的空中和海上舰炮的火力支援。狄特里希的反击被打退。
到6月12日，蒙哥马利指挥的第二十一集团军群（含美军第一集团军与英军第二集团军）已在岸上站住了脚，在正面80公里、纵深13～19公里的区域内建立了一个连成一片的巩固登陆场所，面对着德军第七集团军。这时德军第十五集团军在加来附近。6月13日，德军的第一颗飞弹“V－1”落在了伦敦，但对盟军登陆没造成多大影响。希特勒和隆美尔原来准备在盟军登陆之初将其赶入大海的计划破产了。隆美尔将主要精力投入到建立新的防线，把盟军尽可能长时间的封在登陆场内，以免盟军突破防线后向纵深挺进。蒙哥马利也开始扩大他的登陆场，右翼布莱德雷的美第一集团军向圣洛方向推进，左翼的英第二集团军向卡昂进攻。6月25日，美军攻占港口要塞瑟堡，可是港口已受到了彻底的破坏。同日，英第二集团军也向卡昂发起了进攻。7月1日，德西线总司令伦德施泰特被希特勒免了职，代替他的是克鲁格元帅。
到7月6日，盟军除了借助登陆艇外，还借助“桑葚”人造港、“醋栗”防波提与“冥王星”海底输油管将92．9万名官兵、58.6万吨补给物资和17.7万台车辆输送上岸。这与守军的兵力形成二比一的优势，与守军的坦克和火炮形成三比一的优势。盟军的轰炸使卡昂的街道无法通行，而蒙哥马利也吃尽了老对手隆美尔的苦头，英第二集团军一路进展缓慢。7月17日，隆美尔的汽车遭到盟军飞机的攻击，他多处负伤竟奇迹般地活了下来。7月18日，英军终于攻占了卡昂西城。与此同时，向圣洛方向进攻的美军也占领了圣洛城，从而在西欧大陆上建立起从卡昂延伸到圣洛的稳固战线。至此，诺曼底登陆成功，盟军也因此具备了收复西欧大陆的条件。从6月6日到7月18日的这场诺曼底登陆战斗中，德军伤亡11.6万人，盟军伤亡近12万人。
盟军登陆成功后，决定开始实施更大规模的地面进攻。计划由蒙哥马利从卡昂发起攻势，占领法莱斯，砸开通往巴黎的大门；布莱德雷集中兵力在圣洛西南突破德军防御，直扑布列塔尼半岛根部的阿夫郎什。英、美部队的进攻作战代号分别为“赛马场”行动和“眼镜蛇”行动。
7月18日，英军首先发起“赛马场”行动，英第二集团军所属的第二师、警卫装甲师和第七装甲师从卡昂出发，向西南打去。为了支援英军的进攻，盟军出动了4500余架飞机，投弹7000多吨。英军装甲师的坦克集群在钢铁碰撞和炮弹的呼啸声中，冲向法莱斯地域。但是，隆美尔在受伤前已在这里设下了重重陷阱，令英军坦克手胆寒的88毫米高炮群，已部署在各个要点上。在盟军飞机轰炸时，德军把它们隐蔽起来，轰炸一过，又把它们推出，把英军坦克打得纷纷爆炸起火。至20日下午，英军以损失400多辆坦克的代价，只向前推进了11公里。这时，天又降暴雨，蒙哥马利只得下令暂停进攻。
7月25日，布莱德雷率美第一集团军开始实施因天气不佳而推迟的“眼镜蛇”行动。这天，天气晴朗，上午9时45分，盟军2430架飞机向目标区投下4000吨炸弹和燃烧弹。德军阵地被炸得一塌糊涂，通信线路被炸断，重型装备损失殆尽。李尔装甲教导师实际上已被轰炸机所消灭。轰炸一结束，美第七军军长柯林斯中将挥师向前推进。与此同时，其右翼的第八军和左翼的第十九军也发起攻击。美军的许多坦克装有发光识别板和对空联络电台，一遇地面抵抗就呼唤空军支援，由于地空配合默契，美军前进速度很快。7月27日，美第八军和第七军将德第SS17党卫装甲师包围，德军突围未果，又遭盟军飞机轰炸。7月30日，这个德国装甲师全军覆没。当晚，美第八军占领阿夫郎什，进入布列塔尼半岛，打开了进入法国腹地的缺口。
8月1日，美军组建了第十二集团军群，布莱德雷升任司令，下辖巴顿的第三集团军（包括第八、第十五、第二十、第十二军）和霍奇斯的第一集团军（包括第五、第七和第十九军）。共有5个装甲师、16个步兵师约40万人。
第三集团军的4个军在阿夫郎什刚一集结完毕，巴顿立刻命令各军呈扇形展开，第八军向西直扑布列塔尼半岛顶端的布雷斯特，其余各军分别向东推进。仅三天，第十五军向前推进了110公里，占领了通往勒芒的公路。
面对盟军绝对优势兵力的强大进攻，克鲁格惟一合理的对策即为退到塞纳河一线防守。但是，希特勒遇刺受伤后，他不相信克鲁格对他的忠诚，怀疑西线德军没有奋力作战。于是，希特勒从加来把第十五集团军的几个师调往诺曼底，法国南部也调来兵力，准备与盟军决战。8月3日，希特勒把他的代号为“吕希特”的进攻计划下达给克鲁格，命令克鲁格集中全部装甲师从莫尔坦向阿夫郎什进攻，切断向东突进的巴顿军团的交通线，将美军赶回大海。若德军能控制制空权，这未尝不是一个合理的计划，可是德军却并无制空权可言，因此这就无异于自杀了。
8月7日，克鲁格集中了5个装甲师和2个步兵师向莫尔坦发起进攻，很快占领了该地，但继续向阿夫郎什推进时，被美军的装甲部队挡住。中午，盟军的数百架轰炸机飞临莫尔坦，一阵狂轰滥炸，使60辆德军坦克和200辆汽车变成了废铁，余下的没命地钻入树林。8月7日夜，蒙哥马利命加拿大第一集团军向卡昂东南的法莱斯突击，布莱德雷也令正向东进攻的巴顿军团调头北进，合围德军主力。克鲁格见势不妙，打算放弃“吕希特”计划，但希特勒不同意。8月13日，巴顿麾下的第十五军推进到与英、加军队分界线阿让唐以南12公里的地方，但加拿大部队仍在法莱斯以北10公里之外苦战。巴顿给布莱德雷打电话，要求允许他的部队越过分界线，占领阿让唐和法莱斯。但布莱德雷考虑到盟国部队之间的关系，强令巴顿不得越界进攻。最后在巴顿的力争下，蒙哥马利才同意让美军先于英军占领了阿让唐。
8月16日，德军主力才接到撤退命令，德军5个装甲师猛攻阿让唐，占领该地的3个美军师勉强挡住了德军。这时，加拿大第一集团军终于占领了法莱斯，但他们离美军的距离仍有25公里，德军拼死冲向这个缺口。两条乡间小道上挤满了德军的坦克、车辆和人员，他们趁着天气恶劣，盟军飞机无法出动，拼命外涌，总算冲出一些部队。8月17日，天气放晴，盟军飞机蜂拥而出，无情地轰炸和扫射外涌的德军，德军成百上千地被打死。
当天，克鲁格因牵涉谋杀希特勒的事件而被解除职务，接替他的是莫德尔元帅。克鲁格交出职务后，于8月19日服毒自杀。隆美尔也因此事件于10月14日被迫自杀。
8月19日，美军终于同加拿大军队在阿让唐和法莱斯之间的尚布瓦、特兰会合，把12个师的德军扎在口袋里。但因袋口处的兵力稍微薄弱，一些德军还是冲出去了，其中包括一半左右的装甲师。德军先后逃出的人数超过了总数的1/3。没能冲出去的德军，挣扎在越来越缩小的包围圈内，遭到盟军飞机、大炮和机枪的射杀。法莱斯以西成了一口血肉沸腾的大锅，德国人后来把它称为“法莱斯开水壶”。包围圈内的德军共有1万多人被打死，5万人被俘。
8月25日，美第五军属下的法国第二装甲师光复巴黎。至此，诺曼底会战结束。此役德军损失近50万人，其中有21万人被俘。此外还损失坦克1300辆、火炮1500门、各种车辆2万辆。盟军付出了伤亡20余万人的代价。诺曼底登陆战加快了欧洲解放和第二次世界大战结束的进程，它是军事史上的一次空前壮举。盟军各路大军满怀信心顺利东进，苏军大举反攻而迅速西进，使德国腹背受敌，从而奠定其彻底失败命运。至此，第二次世界大战进入了粉碎纳粹德国的最后决战阶段。
