諾曼底行動開始幾天後，一場強烈的暴風雨襲擊了諾曼底地區，這使得盟軍的推進速度明顯慢了下來。而強悍的德軍則利用諾曼底一帶草場和林地交雜的地形，沿岸的灌木叢進行了抵抗，盟軍的推進變得困難起來。為了挽回敗局，德軍還動用了他們最新式的武器。1944年6月12日，德軍新研製的秘密武器v1導彈出現在了英國倫敦的上空。v1導彈是世界上第一種用於實戰的製導式武器。德軍從6月12日到7月6日，向英國發射了2754枚v1導彈，那段時間裏倫敦平均每天要挨上100枚。這些導彈威力驚人，給倫敦造成了極大傷亡，後來，幸虧英國皇家空軍成功地將法國北部的v1導彈儲存倉庫炸毀，v1導彈的威脅才解除。艾森豪威爾對這種導彈的威力印象深刻，在戰後的回憶錄中他還心有餘悸地說，如果v1導彈能夠提前3個月投入使用，那麼諾曼底登陸就可能無法實施。而導致v1導彈沒有及時投入使用的正是盟軍的大規模空襲。被希特勒稱為“殺手鐧”的v1導彈沒能挽回他的敗局。
1944年7月，從德軍右翼發起衝擊的美軍最終奪下了法國的重要港口瑟堡港。但糟糕的是早在投降之前，德軍就已經徹底摧毀了這個港口。這樣，是否能夠順利奪下進入法國平原的門戶卡昂，就成為盟軍成敗的關鍵。駐守卡昂的德國黨衛軍希特勒青年師進行了瘋狂的抵抗。蒙哥馬利在確保集中優勢兵力和火力的條件下，用了整整6個星期的時間才最終占領了卡昂。
接下來，德軍又遭到了一係列失敗。德國第七集團軍和第五坦克集團軍在盟軍的強大攻勢下一敗塗地，第一和第十九集團軍的大部分戰鬥力也被擊潰。盟軍6月6日登陸後，德軍高級指揮官中先後有三十個陸軍元帥和一個集團軍司令被撤職或被打傷，一個集團軍司令、三十個軍長、十五個師長和一個要塞司令被擊斃或被俘。盡管此時，希特勒仍不承認失敗，不管倫德施泰德和隆美爾怎麼請求，希特勒堅決不允許德軍放棄抵抗向盟軍投降。1944年7月初，希特勒還撤換了主張投降的倫德施泰特的指揮權，換上了馮·克魯格元帥。克魯格艱難地指揮著德軍進行頑強地反抗，這使得盟軍的突破麵臨著重重困難。
1944年7月20日，為了阻止德國陷入戰爭深淵，為避免德國數百萬人民死於戰爭，一名年輕的德國參謀聯合數名德國軍官，發動了刺殺希特勒的行動。一枚定時炸彈裝入手提箱在東普魯士的希特勒大本營拉斯滕堡內發生爆炸，造成了混亂的局麵，但希特勒幸運地躲過了暗殺。參與暗殺希特勒的軍官施道芬貝格很快被逮捕，4980人慘遭處決。“戰神”隆美爾在爆炸發生前3天因盟軍轟炸負了傷，但也被牽涉到了此案中。為了保護自己的家庭，隆美爾最終被逼自盡，就這樣黯然離世。希特勒給予了隆美爾一名軍人所能夠得到的最高規格的葬禮。德國對外宣布隆美爾元帥因“7月17日受傷引發腦溢血”而身亡，並對“我國最偉大的指揮官之一”的犧牲表示哀悼。此外，受到這次事件牽連的馮·魏茲裏本元帥被處以絞刑，馮·克魯格元帥也服毒自殺了。
1944年7月的最後一周，為了讓美軍有機會從西部進行突破，蒙哥馬利成功地將德軍裝甲部隊主力引到了東部的英軍方向。7月30日，在巴頓將軍的指揮下，盟軍第三軍團開始向在諾曼底一線的德軍進行大包抄，並迅速向東南推進到盧瓦爾河畔的奧爾良，然後揮師向東推進到巴黎南麵的塞納河。8月中旬，盟軍試圖包圍法萊茲周圍的德軍部隊。最終，一部分德軍向東突圍了，而剩下的被盟軍的空中打擊徹底摧毀了。被擊潰的德軍殘部向東撤退，盟軍閃電般地向前推進，盟軍解放了一座又一座城市。盟軍的勝利也鼓舞了法國的民族抗爭，8月10日，鐵路工人舉行總罷工，使首都與外地的交通陷於癱瘓。19日，巴黎人民在巴黎解放委員會領導下舉行武裝起義，12000名民警隊的官兵也參加起義。當時，巴黎城內有2萬多名德軍和80多輛坦克。起義者浴血奮戰，8月24日，幾乎全殲在巴黎的德國守軍。當晚雅克·勒克萊克將軍所統率的法國第二裝甲師和美國第四步兵師就攻克了巴黎。1944年8月25日，勒克萊克將軍奉命光榮地接受了德軍的投降。從此，被德國占領達四年之久、有法蘭西榮譽之稱的巴黎解放了。
巴黎的解放標誌著諾曼底戰役的結束。1944年8月25日，戴高樂回到了自己祖國的首都，並掌握了政權。下午，戴高樂將軍來到市政廳，發表了著名的解放巴黎演說，“巴黎！巴黎憤怒了！巴黎淪陷了！巴黎犧牲了！但巴黎（現在）解放了！”
由於在法國淪陷期間，戴高樂領導了自由法國運動，巴黎解放後戴高樂已被公認為法國領袖。而因為曾經大力支持戴高樂的流亡政府和自由法國運動，英國和丘吉爾受到法國人的感激和崇拜。到了10月，在丘吉爾的一再說服下，羅斯福同意正式承認戴高樂政府，1944年11月丘吉爾應邀訪問巴黎，參加慶祝巴黎解放的盛典，在那裏他受到了極為隆重的接待。在《第二次世界大戰回憶錄》中丘吉爾寫道：“11月10日下午，我在奧利機場降落，戴高樂安排了儀仗隊歡迎我。我們一起驅車經過巴黎郊外駛入市區，直抵法國外交部。我和我的妻子及女兒瑪麗在這裏受到隆重的接待。這座建築物曾長期被德國人占據。人們使我確信，我睡的是戈林睡的床，用的是戈林用的浴室。”