德黑兰会议一个月后，即1944年6月6日凌晨，美英盟军的2390架运输机和846架滑翔机从英国南部20个机场起飞，载着三个伞兵空降师向南疾飞，准备在法国诺曼底海岸后边的重要地区着陆，从而拉开了“诺曼底登陆”的序幕。
黎明时分，英国皇家空军的1136架飞机对事先选定的德军海岸的10个炮垒，投下了5853吨炸弹。天亮以后，美国第八航空队又出动了10架轰炸机，在部队登陆的前半个小时，对德军海岸防御工事投下了1763吨炸弹。接着，盟军各种飞机同时出动，轰炸德军海岸目标和内陆的炮兵阵地。5时50分，太阳已经升起来了，盟军的海军战舰又开始猛轰沿海敌军阵地。诺曼底海滩成了一片火海，地动山摇。
登陆部队由运输舰送到离岸7～11英里（约11～18千米）的海面上，然后改乘大小登陆艇按时到达预定要攻击的滩头。跟在登陆部队后面的是运载重武器和装备的大型登陆艇。
美英盟军选择的登陆地点诺曼底海滩，位于法国的西北部，从东到西共有五个滩头——剑滩、朱诺滩、金滩、奥马哈滩和犹他滩，全长约有50英里（约80千米）。登陆计划的第一批进攻部队是五个师，每个师占领一个滩头。
6时30分，美军开始在奥马哈滩和犹他滩登陆。美军第七军第四师在犹他滩没费多大劲就登上海岸了，只遇到断断续续的炮击。三个小时内，他们就肃清了守卫这个地区的德军，后续部队和装备也源源不断地运到岸上。但在奥马哈滩，美军第七军第一师的情况并不太妙。大浪、晨雾，加上硝烟弥漫和侧面的气流，把部队折腾得筋疲力尽，登陆时又遭到敌军炮火的猛烈袭击，一时间，死伤的士兵布满了海滩。而下一批进攻的部队也遭到同样的不幸。在这危急关头，美军两个突击营用绳梯爬上了海岸上的悬崖峭壁，夺取并摧毁了敌人的一座炮台。但是敌人继续猛烈射击，把美军阻挡在海滩边上。美军第一步兵师师长许布纳当机立断，要求海上的驱逐舰冒着可能杀伤自己人的危险，向德军炮群和火力点进行近距离的轰击。驱逐舰的大炮果然发挥了巨大的威力，不一会儿，工事里的德军就举手投降了。经过美军第一师的艰苦血战，虽然美军付出了巨大的人员伤亡代价，但终于占领了一条纵深不到2英里（约3千米）的滩头阵地。
英国的第二军团第五十师于7 时20分开始在金滩登陆。他们开始时也遇到一些困难，但逐渐摧毁了德军的抵抗。到黄昏时分，他们终于深入了内地5英里（约8千米）。
在朱诺滩，加拿大的第三师在肃清滩头的德军之后，进展最快，当晚就到达了冈城——贝叶公路。
英国第三师在剑滩上也遇到德军的激烈抵抗。但到黄昏时，他们就已经同空降的第六伞兵师会合。
当天傍晚，盟军已在欧洲大陆建立了牢固的立足点，伤亡人数比预计的要少。有将近10个师的部队连同坦克、大炮及其他武器装备都上了岸，后续部队也源源而来，不断扩大盟军对德国守军的优势。盟军的诺曼底登陆成功了。
希特勒吹嘘的长达2500英里（约4623千米）的“大西洋壁垒”防御工事为什么如此不堪一击呢？原来，每年6月，英吉利海峡总是狂风大作，恶浪滔天，船只行驶艰难。德军在西线的大部分将军都认为在这个气候恶劣的6月里，盟军是不会发动进攻的。6日凌晨2时左右，驻守在巴黎的德军总司令部接到报告说，有美英空降师着陆，看来像是一次“大规模行动”。但总司令龙德施泰特却认为这只是盟军声东击西的惯用手法，并不十分在意。接着，西线德国海军部队又向总司令报告说，据海岸雷达报告，荧光屏上有大量黑点，一支庞大的舰队正向诺曼底海岸进发。对此德国西线的参谋长却回答说：“什么？在这样的天气里？一定是你们的技术员弄错了！也许是一群海鸥吧！”后来，当他终于察觉形势不好，请求希特勒出动两个装甲师去对付盟军空降师时，希特勒却禁止动用他的这支战略预备队。希特勒还是坚持认为这只是盟军牵制性的佯攻，认为盟军一定会在加来地区登陆。
希特勒中了盟军总部的疑兵之计。早在诺曼底登陆以前，美英盟军伪装集结了一支舰队，发出大量电讯，造成假象，好像盟军总部设在英国的肯特郡，又让以勇猛著称的美国巴顿将军在肯特郡街头散步，而德国情报人员断定他正是盟国总司令。而且在进攻前夕，英国飞机又撒下大量的锡箔片，使德军的海岸雷达上显示好像盟军的一支舰队正向东驶去，开往加来。
为了严格保密，整个英国南部已同英国其他地区断绝了一切交通，俨然成了一个大兵营，盟军在这里为“霸王”行动塞满了堆积如山的军事装备和物资。为了防止泄密，英国政府还中止了英国同外国的一切外交关系，撤销了沿岸的正常航道运输，把所有船只用于“霸王”行动的运输，使得美国艾森豪威尔将军在调动集结军队问题上没有任何妨碍。英国政府在这个地区设置了警戒线，任何人未经许可都不得穿过警戒线。每一座帐篷、兵营、停车场和每一支部队，都仔细地标志在行动的指示图上。每一支部队的预定行动都作了准确的安排。这支在诺曼底登陆的军队非常庞大，拥有盟军陆海空三军287万人，战舰6000艘，飞机13万架。美英盟军这么大规模军事行动的准备工作，德军竟然丝毫不知，盟军的保密工作也真是做到了家。
为诺曼底登陆进行的准备工作是庞大而复杂的。盟军改进了许许多多的装甲车，有供清理海滩的压路机，有在布雷区开道的装有扫雷器的装甲车，有供跨过沟渠的装甲便桥等。盟军甚至还制造了两座人工港口，以便登陆部队卸下装备物资之用。关于进攻目标的地形侦察，盟军早在一年之前就开始用飞机拍摄从荷兰到西班牙的海岸线，特别是从1944年4月6日，共出动飞机侦察4500架次。此外，法国地下抵抗组织提供了数以千计的情报。这样，德军在欧洲大陆沿海的防御工事、桥梁、机场、沼泽地区、仓库、公路、火车站等等，都被盟军弄得一清二楚。每一个登陆部队负责人带着的作战计划上，连树木都标了出来。
到6月12日，盟军在诺曼底的几个滩头已经连成一条阵线，后续部队源源而来，军需物资不断增加，这些都有力地保证了盟军诺曼底登陆的成功。到8月19日，盟军占领了塞纳河西岸的芒特。这一天，巴黎人民举行武装起义，解放了自己的首都。8月25日，戴高乐将军指挥的法国第二装甲师从巴黎南门和西门进入市中心。当天下午，法国勒克莱将军奉命接受德军投降。
巴黎的解放标志着诺曼底战役的结束。经此一战，德军有四十多万人伤亡和被俘。德国再次被迫进行两线作战，陷入了苏联红军和美英盟军东西夹击的铁钳之中，德国法西斯灭亡的日子已经为期不远。