各突擊部隊在塞納河灣距登陸海灘20-21公裏的海域開始換乘。與此同時，當突擊輸送艦隊展開並換乘時，英國空軍的1136架轟炸機開始輪番轟炸登陸地區德軍的10個炮兵陣地，美空軍第8、第9集團軍的1500餘架轟炸機也同樣分批對德軍海岸炮兵陣地和海岸防禦設施進行最後的航空火力準備。海軍艦隊的艦炮也在登陸部隊上陸之前對上陸地區進行了艦炮火力準備。
6日6時30分，美第7軍步兵第4師第一梯隊在猶他海灘2公裏寬的正麵上突擊上陸。這是德軍防守最薄弱的地方，因而登陸部隊也幸運地沒有遭到多少抵抗，這支部隊一切順利，他們很快就建立起一個團級登陸場，因此當天第4師的3個團就全部上陸完畢，並與先期空降的空降101師取得了聯係，這使得英美聯軍在這裏獲得了一塊寬4公裏、縱深9公裏的登陸場。
然而，美第5軍就沒有這麼幸運了，他們於6時34分在奧瑪哈海灘突擊上陸，結果遭到德軍步兵第352師的頑強抵抗，導致第5軍傷亡慘重，整個登陸部隊被阻於海灘上長達幾個小時未能前進一步。第5軍各師的預備隊隻好提前登陸，與德軍展開了激烈戰鬥，直到最後才占領了一塊縱深僅1.6公裏的立足點，在維葉維爾、考勤維爾之線轉入防禦。
英軍第一梯隊也於6日建立了師登陸場。
這之後英美聯軍開始向灘頭輸送大批物資，後續部隊也緊接著登陸，經過6天的激戰，英美聯軍已經在寬80公裏的正麵上，構築了縱深約10-15公裏的灘頭陣地，這時已經有32.6萬名士兵登上諾曼底，包括5.4萬輛車和10.4萬噸物資。
這場海灘登陸戰打得比較順利，這應該感謝德國人，他們接連犯了幾個錯誤：德軍對英美聯軍的這次登陸戰首先出現了一個重大失誤，那就是方向判斷錯誤，德軍統帥部知道隻有加萊和諾曼底適合登陸，但他們判斷的卻是加萊；緊接著，德軍又出現了一係列的失誤，接下來就是時間判斷出現錯誤，惡劣的天氣導致德國人認為聯軍不可能在這樣的天氣中發動攻擊，因此大部分指揮官都去參加沙盤演習了；第三個錯誤則是由希特勒自己造成的，他此前命令一個裝甲師任何人不得調動，隻有在他本人允許的情況下才能調動，而當英美聯軍登陸的時候，他本人卻在睡覺，指揮官無法取得他的首肯，因此，這支負責反擊的裝甲師就那麼眼睜睜地看著英美聯軍登陸，浪費了寶貴的反擊時機。因此，直到至6月12日，德軍已經明白，他們已經無法再奪回被占領的海灘陣地了，隻好全麵轉入防禦，希望能把英美聯軍的登陸場壓製在現有的範圍內，同時等待其他德軍的支援。
然而，此後德軍能夠調來的隻有7個師，即使算上原來在登陸場的5個師一共也隻有12個師，這比聯軍預先估計的還少8個師，由此可見德國在西線的防禦之弱。
當然，這其中還有一個原因就是德軍統帥部自聯軍登陸後一直未能判斷出英美的主要作戰意圖，因此也無法判斷出聯軍的主攻方向，這導致反擊部隊行動遲緩。
在取得登陸場後，英美聯軍就開始實施第二階段作戰計劃，即阻止德軍向瑟堡增援，為此必須在康坦丁半島設立一條橫穿半島的防禦線，然後才能集中主力奪取瑟堡，最後再在卡朗湯地區擊退德軍可能出現的反撲，在擊退德軍反攻之後還需要奪取岡城，以進一步擴大登陸場。
為此，6月12日，美第7軍從聖曼伊格利斯地域向西發起進攻，並於17日前出到德律特海峽沿岸；然後遞7軍分兵兩路，一路向南麵，另一路向北發起進攻，於22日前出到瑟堡港區和市區的防禦外廓；23日，第7軍占領了瑟堡東側8公裏處的德軍飛機場及其附近的製高點；27日美軍攻占了瑟堡，6月底肅清了康坦丁半島的德軍殘部。6月26日，英國和加拿大聯軍向勞雷地區的德軍發動了進攻，目的是迂回攻擊岡城。在迅速占領了勞雷和奧登河上兩個橋頭陣地後，德軍調來了用於反突擊的4個裝甲師，這有效地阻止了英、加聯軍的攻勢。
在英國和加拿大部隊受阻的時候，美第一集團軍繼續在其他方向擴大登陸場，他們向南推進了10-15公裏，並占領了交通樞紐聖羅。
7月8日，英國第二集團軍開始集中力量攻打岡城。英軍以3個步兵師和3個裝甲旅的兵力在航空兵的支援下，向岡城發起猛烈進攻，9日，英國人終於占領了該城的西北部。7月18日，英、加聯軍用4個步兵師和3個裝甲師的強大力量在岡城以東再次發動進攻，此後經三天激戰，向南推進了10公裏，完全占領岡城。
在占領岡城之後也就結束了第二階段的任務，到7月24日，聯軍完成了諾曼底登陸場的建立，此時登陸場已經擴展正麵寬100公裏，縱深30至40公裏，這也就基本上保障了大批物資運輸進來和兵力集結，具備了向德國西北部大舉進攻的條件。
第三階段中，諾曼底登陸場已集中了4個集團軍共39個師，也就是說所有英美聯軍都已經登上了諾曼底。接下來，按照既定計劃，英、加聯軍負責在岡城西南牽製德軍，而美軍則在聖羅城以西地區向南實施主要突擊，並向阿夫朗含和勒恩發展進攻，占領布裏塔尼半島。然後再回師東進，經勒芒、阿朗鬆，將德軍驅向塞納河，占領德國西北部。
7月的最後一天，美第一集團軍第7軍南推進了60公裏，抵達出西冷河地區。8月1日，美第3集團軍也攻入這一地區，然後，英美聯軍進行了調整，主要編成了兩個集團軍群，即：美軍1、3集團軍編成第12集團軍群，英第1集團軍和加拿大第1集團軍編成第21集團軍群。
就在英美聯軍進行調整的時候，德軍也從加萊調來4個裝甲師，於8月6日自維爾、莫日丹向艾弗蘭齊斯發動反突擊，目的是企圖切斷美第3集團軍補給線，但美軍的有效反擊使得德軍的這次突擊沒能達到目的。美第3集團軍也調整了作戰計劃，其第15軍根據改變了的計劃發展進攻，8月6日攻占拉伐耳城，9日占領勒芒，這就使得德軍第7集團軍的左翼和後方受到威脅。與此同時，美第3集團軍的第8軍也攻占了除聖馬洛、布勒斯特等港口以外的整個布裏塔尼半島。
另一個方向上，英第2集團軍、加第1集團軍於8月6日占領平鬆山，對德軍的右翼構成了威脅。這時，聯軍仍然按照原來的計劃決定將德軍合圍在法累茲城以西地域。因此，美軍第15軍勒芒發起進攻，於13日占領了阿爾讓湯；加拿大第2軍向法累茲方向進攻，但卻受到阻擊，結果沒能按照計劃與美軍第15軍完成合圍，這使得原來已經被包圍的德軍大部由此跳出聯軍的合圍圈，向塞納河方向退卻。
8月19日，聯軍完成對法累茲的合圍，在合圍圈內殲滅德軍6萬餘人。此後，連軍開始向塞納河方向前進，8月25日占領巴黎。德國的整個西北部也大部分被占領。至此，諾曼底登陸才算是完成，在整個戰役中，英美聯軍始終掌握著製空權，因此才能夠有效發動各個地麵攻擊。這次登陸戰役英美投入的地麵部隊約150萬人。在此次戰役中美、英軍傷亡12.2萬人，德軍傷亡和被俘11.4萬人。