6月5日22时，盟军起飞两批飞机，第一批24架于6日1时10分在勒阿弗尔至莱赛广大地区空投2 000具假伞兵和一支8人的特别小分队，假伞兵一落地就自动点燃鞭炮模拟射击的枪声，特别小分队落地后设置音响模拟器，发出事先录制好的枪声、炮声、军官的下令声、士兵的讲话声、汽车行驶声等各种声音，造成到处都有空降的声势。各地的德军纷纷向指挥部报告，一时间德军指挥部收到大量报告，有的报告盟军空降兵着陆，有的报告盟军空投假伞兵，真假难辨前后矛盾，严重干扰影响德军指挥部的判断。第二批26架飞机，每架载13人的空降引导组，于6日0时16分在各预定地区空降，除了2个组被德军消灭，1个组未及时到达，其余23个组都按时设置引导信号，标示出空降场，为接下来的大规模空降作好准备。
6月5日23时，3个空降师的突击梯队共24个伞兵营，17 210人，分乘1 038架运输机起飞。艾森豪威尔亲自到第82空降师的出发机场为出征将士壮行。所有飞机的垂直尾翼上都涂有三道白杠作为识别标记，采取九机品字形密集队形，以36~45架组成梯队，飞行高度1 500~1 800米，由于航行途中天气恶劣，编队偏离预定航线，而且队形混乱。到达诺曼底上空又遭到德军高射武器射击，使得跳伞高度由预定的150米增加到500米，飞行时速由180公里增加到330公里，地面风速高达每秒10~15米，所以伞兵着陆非常分散，还有很多人在着陆时受伤。加上德军事先打开科唐坦水坝的闸门，河水淹没了大片草地，空中侦察没有发现被青草遮盖的已不是草地而是沼泽的区域，不少预计在草地上降落的伞兵陷入沼泽。尽管在着陆时伞兵遇到不小的麻烦，但仍按计划立即投入战斗。
激战滩头
6月6日凌晨2时30分，庞大的登陆舰队到达距法国海岸11海里的换乘区，士兵们从运输船上沿绳网下到登陆艇，然后登陆艇编成艇波，劈波斩浪向登陆滩头冲击。上陆时间因各滩头潮汐不同而各不相同，最早的是犹他滩头6时30分，最晚的是朱诺滩头8时。
宝剑海滩紧邻奥恩河口的兀斯特罕港，是五个抢滩阵地中，最东边的一个海滩，而法国北部的航运中心卡昂，便位于海滩南边15公里处。从宝剑海滩东边登陆的英军部队在抢滩后，很快地便击溃德军轻装步兵，并于午后与先前空降内陆的伞兵部队会合。但从宝剑海滩西边登陆的英军，则遭到德军第21师坦克部队的顽强抵抗，无法顺利与从朱诺海滩登陆的加拿大部队会师。双方一直激战至黄昏后，盟军才成功击退德军的装甲部队。当天登陆的29 000名英军中，伤亡人数仅有630人。
以库赛叶栩美港为中心向两侧伸展的朱诺海滩登陆区，宽约10公里，德军的轻装步兵便部署于海滩沙丘后方的村落中，这样的地形优势对必须穿越沙丘进攻的盟军部队而言，是极大的威胁。登陆作战一开始便极为惨烈，有三分之一的盟军登陆艇惨遭德军的水雷和障碍物摧毁。加拿大的登陆部队虽然很轻易地越过沙滩，却在沙丘前遭到德军火力无情的攻击，使得首波进攻部队的伤亡率高达50%。接近中午时分，加拿大部队才占领了沿岸的城镇，向内陆挺进，并与来自黄金海滩的英军会师。参与朱诺登陆战的官兵共21 400人，伤亡人数则为1 200人。
黄金海滩是整个登陆行动的中心点，登陆的时间则比犹他和奥马哈海滩的登陆行动晚了一个小时。由于涨潮和海相不佳等缘故，盟军无法彻底清除海域中的水雷和障碍物，这也使得想迅速抢上滩头的英军陷入苦战。德军在滨海小城利维拉和阿梅尔部署重兵防守，还在离海岸500米的内陆设置了四门155毫米的重炮，直接瞄准海岸。英军在皇家海军“阿贾克斯”号的强力炮火轰击下，终于摧毁这四门重炮，压制了德军的防卫火力。在入夜之前，已有25 000名盟军顺利登陆，并迫使防守的纳粹部队往内陆撤退10公里。英军仅有400名官兵伤亡。
奥马哈海滩是诺曼底登陆战役中战斗最为激烈的海滩。盟军在奥马哈滩头遭受了巨大的损失，仅阵亡者就达2 500人，因此又称“血腥奥马哈”。电影《拯救大兵瑞恩》中开始那一段经典的战争场面就取材自奥马哈海滩登陆战。
奥马哈海滩全长6.4公里，海岸多为三十几米高的峭壁，地形易守难攻。这里的登陆作战任务由美军第9军承担。盟军由于情报有误，认为这里的德军守备部队只有一个团的兵力，还多是后备役人员，没有装甲车辆，战斗力很差。而实际上隆美尔在3月将德军精锐的352步兵师全部调往诺曼底，而352师的一个主力团就驻守在奥马哈滩头。可惜直到登陆部队出发后盟军情报机关才找到352师的去向。
登陆当天天气状况极端恶劣，盟军在登陆前就因风浪过大损失了10艘登陆艇和300余名官兵。在登陆艇上的官兵多为晕船和湿冷所苦，还没到达作战地点就基本精疲力竭了。登陆作战开始后也非常不顺，海滩西段的32辆水陆坦克中有27辆刚一下海就因风浪过大而沉没，幸存的5辆坦克中还有2辆很快被德军炮火炸毁。由于潮汐影响和秩序混乱，登陆的美军士兵很多都搞不清方向和集合点，大批士兵挤在滩头任凭德军炮火攻击。整整两个小时的时间里美军没有一名士兵在西段冲上海滩，在东段也仅仅占领了9米宽的一段海滩，登陆行动几乎完全失败。
然而美国海军为奥马哈海滩登陆带来了转机。由于海滩登陆部队长时间没有任何消息传来，海军指挥官意识到奥马哈海滩上的形势已经极为严峻，于是17艘驱逐舰不顾触雷、搁浅和被155毫米海岸炮炸翻的危险前进至距海滩仅730米处，在近距离为登陆美军进行火力支援。而美军的敢死队此时也爬上了霍克海角，结果发现所谓155毫米海岸炮居然是电线杆伪装的。没了后顾之忧的海军肆无忌惮地向德军据点倾泻炮弹，先前被堵在海滩上的美军也在精锐部队第1师的带领下开始冲锋。中午时分登陆部队第二梯队提前登陆。而在空军的指引下，美国海军的战列舰和巡洋舰也开始对岸上射击，德军的防御至此基本崩溃。
天黑时美军正式登陆成功，第5军军部上岸并设立了指挥所。军长罗杰少将登陆后立刻发电报给布拉德莱：“感谢上帝缔造了美国海军。”
犹他海滩位于卡伦坦湾的西侧，是一处宽约5公里、被覆着低矮沙丘的沙滩。盟军实际登陆的地点，虽然比预定地点往东偏了1 600米，不过还好德军在登陆点部署的兵力并不多。攻击行动展开后，仅仅3小时内，盟军部队就跨越了滩头，掌控了沿海的公路；当天中午之前，登陆部队便与5小时前空降于敌后的空降部队碰头；而到了当天午夜，盟军不但已成功达到此次登陆预定的作战目标，更向内陆推进了4英里。在所有登陆作战中，犹他海滩登陆是伤亡人数最少的一场战役，23 000名官兵中，仅有197名伤亡人员。
德军的反击
在D日组织反击的德军只有第21装甲师，可是师长不在指挥岗位，参谋长无权调动集结部队，他只好将手上仅有的24辆四号坦克派去攻击卡昂以东的英军。因为仓促出动，准备不足，加上没有步兵伴随支持，被英军轻而易举击退。当天下午，师长费希丁格赶回师部，集结所属部队向朱诺海滩和宝剑海滩之间的卢克镇发动攻击，当时盟军在这两海滩之间尚有数公里的空隙，德军的这一反击正打在盟军的要害，将会给盟军带来不小困难。正当第21装甲师在行进时，盟军的500架运输机正从头顶飞过，为英军第6空降师运送后续部队和补给，而费希丁格误认为盟军空降伞兵正是要前后夹击己部，惊慌失措不战自乱，放弃反击匆忙后撤。除此之外德军在D日就再没什么反击了。
6月6日，也就是被隆美尔预言为决定性的24小时，被艾森豪威尔称做历史上最长的一天，就这样平静地度过了。
6月7日，希特勒将西线装甲集群5个装甲师的指挥权交给隆美尔，隆美尔决心凭借这支精锐部队大举反击，但面对严峻局势，他不得不把反击的第一个目标定为先阻止盟军将五个登陆滩头连成完整的大登陆场，其次再确保卡昂和瑟堡。可惜这支装甲部队从100~200公里外赶来，一路上在盟军猛烈空袭下，根本无法成建制投入作战，即使零星部队到达海滩，也在盟军军舰炮火的轰击下伤亡惨重，没有了往日的威风。就这样6月7日整个白天在盟军海空军绝对优势火力下，德 军无力发动决定性的大规模反击。
到6月 17日，登陆人员已经达到19个师共 50万人。18日，美军登陆部队最后切断了科唐坦半岛，于 21日向瑟堡发起进攻，29日攻克该城。7月 5日，盟军登陆部队达到100万人。16日，英军突入冈城拔除了登陆场最坚硬的据点。18日，美军攻占了交通枢纽圣洛，从而分割了隆美尔所指挥的德军。到 24日，盟军各部分别推进到卡昂、科蒙、圣洛、莱赛之线以南，形成一个正面150公里，纵深13~35公里的战略登陆场。至此，盟军完成了预定计划，诺曼底登陆作战宣告结束。
诺曼底登陆作战是第二次世界大战中，也是世界战争史上最大的登陆战役，盟军为此共伤亡12.2 万人，其中美军7.3 万人，英军和加拿大军4.9万人；德军损失为11.4 万人。诺曼底登陆的胜利，宣告了盟军在欧洲大陆第二战场的开辟，意味着纳粹德国陷入两面作战、腹背受敌的困境，彻底粉碎了德军企图以西线部队挫败美英登陆后再抽出50个师转用于苏联战场的如意算盘。到了1944年8月，稍有军事常识的人都清楚，德国的最后失败已不可避免。而诺曼底的胜利，敲响了纳粹德国的丧钟。
