「霸王」出臺
蘇德戰爭爆發後，蘇聯方面就希望英國能在西歐開闢一個新的戰場，以減輕德國對東線的壓力。但邱吉爾未置可否。美國參戰後，蘇聯又重提開闢第二戰場的問題。幾經周折，直到在1943年11月，羅斯福、邱吉爾和史達林三巨頭在德黑蘭會議上，才就此問題最終達成協議，決定於1944年5月1日在法國北部實施登陸作戰，代號為「霸王行動」。同年12月，艾森豪將軍被任命為盟軍最高總司令，統一指揮登陸作戰行動。
「霸王行動」的具體作戰計劃是由英國的摩根中將領導的英美聯合計劃參謀部擬定的，代號為「考沙克」計劃。艾森豪上任後，又在此基礎上進行了修訂。登陸地點定為諾曼第地區，登陸正面由原計劃的25英裡擴大到50英裡，登陸時間推遲了一個月，暫定6月5日為D日。
參加登陸的盟軍的兵力共計39個師，其中美軍20個師、英軍14個師、加軍3個師、法軍和波軍各1個師，共約288萬人。各種飛機15700餘架，包括登陸船、戰艦商船在內的各種船隻超過6000艘。第一批突擊兵力為第21集團軍群，由英國的蒙哥馬利將軍指揮，轄有美軍第1集團軍、英軍第2集團軍、英軍第6空降師、美軍第82和第101空降師。其任務是分別突擊由西至東的「猶他」、「奧馬哈」、「朱諾」、「戈爾灘」「斯沃德」五個海灘。
早在1941年12月，即德軍在莫斯科城下開始遭到失敗的時後，希特勒就擔心盟軍可能在西歐登陸，下令從挪威到西班牙沿岸構築一道防線，由相互支援的堅固支撐點組成，稱為「大西洋壁壘」。1943年11月，希特勒派隆美爾元帥到西線徹底檢定和加強「大西洋壁壘」海防。隆美爾首先巡視了丹麥一段海岸，接著觀察了法國一段防線。結果令他大為震驚。大肆宣揚的「大西洋壁壘」，與其說是不可逾越的工事，不如說是戈培爾吹噓宣傳的產物。沿岸只有少數地段修築了一批相距很遠的堅固支撐點，多數地段的防禦設施不是形同虛設就是根本就沒有修築。隆美爾立即著手加強「大西洋壁壘」的防禦工事，在他的督促下，德軍加快了防禦設施建。並在海灘高低潮水線下設置了鐵（木）樁、混凝土多角體等障礙物；在靠近海岸線的前沿陣地上布設了地雷帶；在海岸縱深的開闊地帶豎立了防滑翔機木樁。但是由於時間短促，隆美爾的防禦設施建設計劃遠沒完成，除了加來地區的工作進展較快外，諾曼第卻並沒有太明顯的成果，海底障礙物僅在高水位地帶完成，反空降設施才剛剛開始動工。
到1944年5月底6月初，西線德軍兵力共58個師，飛機500餘架，100艘潛艇和500餘艘輕型艦隻。地面部隊分為B、G兩個集團軍群和一個西部裝甲集群，由德軍西線總司令倫斯德元帥統一指揮。其中B集團軍群35個師，由隆美爾元帥指揮，轄有第15集團軍（兵力為4個軍17個師）、第7集團軍（兵力為3個軍15個師）和獨立第88軍（兵力為3個師），部署在荷蘭到法國西海岸線上；G集團軍群13個師，由布拉斯可維茲將軍指揮，轄有第1集團軍和第19集團軍，部署在法國南部和西南部海岸；西部裝甲集群轄有10個裝甲師，由吉爾將軍指揮，其中4個裝甲師撥給隆美爾的B集團軍群，其餘6個裝甲師作總預備隊，由希特勒直接調動。
關於裝甲師等戰略預備隊的部署位置問題，曾引起了倫斯德和隆美爾之間的激烈辯論。隆美爾認為由於盟軍享有絕對的空中優勢，裝甲師在白天將很難運動，這是他在北非所獲得的教訓。因此隆美爾主張把裝甲部隊部署在海岸附近，以免盟軍的空中力量切斷預備隊與戰場的聯繫。但倫斯德則認為把裝甲部隊部署在海岸附近，不利於迅速調動，因此倫斯德堅持把裝甲師部署在後方地域，在判定敵軍主攻方向後再對其實施反攻擊。時任裝甲兵總監的古德裡安和西部裝甲集群司令吉爾也支持倫斯德。希特勒對兩種爭執不下的意見莫衷一是，只好採取了一個折衷的方案：將裝甲師集結在距海岸不遠的地方。撥給B集團軍群的4個裝甲師中，第21裝甲師由隆美爾直接指揮，其餘第116裝甲師、第SS12黨衛裝甲師和李爾裝甲教導師則必須獲得了希特勒的授權才能動用。
登陸諾曼第
盟軍在登陸前對敵實施了一系列戰略轟炸。在打擊目標上，艾森豪的副帥英國空軍上將泰德主張重點轟炸運輸線，而美國戰略空軍司令斯巴茲主張轟炸綜合石油工廠。艾森豪最終採納了泰德的意見。3月30日，泰德的建議正式開始執行，盟軍轟炸機集中打擊鐵路、公路、橋梁。到盟軍登陸日，一共投下66000噸炸彈，德軍的鐵路運輸量已下降百分之五十，巴黎和海岸之間的24座橋梁中的18座被毀、3座停用。此外，盟軍飛機也對德軍海防工事、雷達站和飛機場發動了普遍的準備性攻擊。
盟軍最高司令部還採取了一系列迷惑德軍的措施。其矇騙計劃的代號為「堅毅」。如在緊靠法國北部的多佛爾地區進行軍事演習和假集結，發出大量電訊，故意讓美軍名將巴頓在英國肯特郡惹人注目的地方拋頭露面，以使德軍統帥部誤以為盟軍渡海作戰的司令部和軍隊集結在多佛爾地區。此外，盟軍還利用兩面間諜和中立國家的電臺提供和散布大量假情報等等。這些措施使倫斯德和隆美爾對盟軍將在加萊海峽沿岸登陸信以為真，將B集團軍群主力第15集團軍部署在加萊海峽沿岸，而駐守在諾曼第及附近地區的僅有第7集團軍的6個步兵師，兵力不到9萬人，且裝備的重武器很少。
希特勒起初也傾向於認為盟軍將在加萊地區登陸，但自1942年2月中旬以後，他的觀點卻發生了變化。他三番五次在大本營會議上宣稱：「毫無疑問，英美軍隊一定會在西線登陸。在我們漫長的戰線上，除了靠近暗礁的部分地區外，其它任何地方都可以登陸。但有兩個地點最具可能，因此所受的威脅最大。這就是諾曼第海岸和布列塔尼半島，而戰略目標是奪取瑟堡。」根據情報，希特勒越來越相信盟軍的主要目標是諾曼第。5月1晚隆美爾不在指揮部時，隆美爾的參謀長斯派達爾接到電話說，元首急切想知道84軍防守諾曼第的情況。在第二天的作戰會議上，希特勒不等隆美爾回話就把1個傘兵軍和空降部隊調往諾曼第和布列塔尼半島。這是希特勒採取的一項斷然措施。5月6日，隆美爾心懷疑惑地給最高統帥部打電話，詢問為什麼增援諾曼第。總參謀長約德爾告訴他，元首有「確切情報」，瑟堡是第一個戰略目標。隆美爾暗吃一驚，趕緊去巡視諾曼第。巡視的結果，隆美爾仍對盟軍要進攻諾曼第表示懷疑，甚至覺得元首對諾曼第的擔心有點神經質。
艾森豪要解決的難題之一是登陸日D日的選擇，根據潮汐和月光情況，基本符合三軍作戰要求的日子在6月上旬只有5、6、7三日，他原先選定6月5日為D日。然而6月初風浪頗大，在6月3日和4日兩天中，氣象預測是如此的不利，所以他決定把攻擊行動順延了24小時，即6月6日。6月4日晚，氣象主任斯泰格上校報告說：從6月5日夜間開始，天氣可能突然短暫變好，到6月6日夜間，很快又要變壞。鑑於天氣情況有變，是於6月6日行動，還是繼續延期？艾森豪逐一向他的將軍們徵求意見。參謀長史密斯認為：「這是一場賭博，但這可能是一場最好的賭博。」地面部隊司令蒙哥馬利更是堅定地說：「依我說，幹！」只有空軍司令馬洛裡認為氣象條件低於所能接受的最低限度而持延後意見。艾森豪沉思片刻，終於下定決心，斬釘截鐵地說：「好，讓我們幹！」
艾森豪在天氣上的賭博得到了報償，而德國人卻賭輸了。德國人認為如此惡劣的天氣，盟軍發動進攻是不可能的。由於天氣惡劣，他們甚至取消了例行的空中和海上的巡邏，本來這種巡邏是可以使他們發現開來的艦隊。可悲的是，德軍氣象情報官沒有分析出天氣好轉的可能，隆美爾在看了天氣報告後，就放心地在5日晨回德國去給他的夫人祝賀生日去了。隆美爾的隨從參謀盧格在《隆美爾在諾曼第》一書中稱，「6月5日上午沒有任何跡象表明海峽對岸已經作出了進攻的決定，一支摧毀歐洲的堡壘的龐大艦隊正在駛來。B集團軍群司令部的每一個人像往常平靜日子一樣幹著各自的工作。我驅車去了西線海軍司令部催要地雷。」
1944年6月6日凌晨，盟軍傘兵部隊首先發動攻擊。盟軍空降兵搭乘239架運輸機與867架滑翔機實施登陸。6月6日凌晨1時15分鐘整，是世人永難忘懷的「登陸日」。就在那一頃刻，在法國的瑟堡半島，120名美軍先導官兵在月色中跳下座機。5分鐘後，在西面80公裡開外，首批英軍空降兵也跳出了座機。3時14分，2219架轟炸機首先對德軍海岸工事和灘頭障礙物發起猛烈轟炸，一共投下7616噸炸彈。5時50分，海軍重炮也開始轟擊德軍固定炮臺和混凝土防禦工事。6時30分，第一波突擊部隊搭乘4266艘艦艇（大到戰列艦， 小到登陸艇），在海軍炮火和10個戰鬥機中隊的掩護下接近五個目標海灘，部隊先放下水陸兩棲坦克由他們領先向灘頭挺進。
奧馬哈灘的爭奪最為激烈，美第5軍的第29師和第1師的兩個團遭到德軍352師的頑強抵抗，雙方激戰6小時，屍橫遍地，血染灘頭，美軍僅前進10碼。最後不得不請求海軍對德軍陣地實施近射，美軍士兵則冒著被自己海軍炮火殺傷的危險且戰且進，在付出了2500人的代價後，才奪下灘頭陣地。傍晚，美第5軍3.5萬人登上海灘。此時，其他4個登陸點的盟軍也鞏固了灘頭陣地，並在海空軍的的支持下向縱深發展。
隆美爾的反擊
德軍對盟軍在諾曼第的登陸行動大吃一驚。隆美爾不在，他的參謀長斯派達爾認為更大規模的進攻是在加來地區，不願將第21裝甲師投入諾曼第地區。西線總司令倫斯德元帥起初也持相同看法。但後來倫斯德終於反應了過來，大約清晨6時許，他首次向最高統帥部報告了形勢概況，說一切跡象表明，敵人登陸已經開始，登陸地點顯然在諾曼第。並請求批准裝甲師組成的預備隊從待機地域向前線開進。因為希特勒事先曾交待過沒有他的批准，誰也不能調動這些裝甲師。而此時有熬夜習慣的希特勒剛剛休息，總參謀長約德爾不願打擾他上午的睡眠，況且約德爾仍然認為盟軍在諾曼第的行動極有可能是佯攻，真正的主攻地點恐怕還是加萊地區。直到6日中午例行匯報時，約德爾才向希特勒報告了盟軍在諾曼第登陸的情況。希特勒聽完後恨恨地說道：「這些該死的傢伙，感謝上帝，他們終於登陸了。」他立即行動起來，批准派譴第SS12黨衛裝甲師和李爾裝甲教導師趕到諾曼第去。並下令第7集團軍必須至遲在當晚肅清盟軍的灘頭陣地。
6月6日上午10時許，隆美爾才從他的參謀長斯派達爾的電話裡獲知盟軍登陸的消息。他急忙驅車趕回法國。還在途中，他就電令斯派達爾：「立即將第21裝甲師投入反攻，不要等什麼進一步增援，馬上進攻！」6月6日夜間10點，隆美爾終於趕回了他的司令部，而在登陸戰線上的第7集團軍和第21裝甲師，正拚命阻止猛撲前來的攻擊，現在每一件事只有靠裝甲師了。他立即命狄特裡希指揮第21裝甲師和第SS12黨衛裝甲師於7日清晨發動反攻，可是第21裝甲師經開戰以來的苦鬥僅剩下70輛坦克，而第SS12黨衛裝甲師從120公裡外的駐地冒著盟軍飛機的猛烈轟炸，7日9時才趕到戰地，沿途損失慘重，急需整頓。狄特裡希不得不一再推遲反攻。此時李爾裝甲教導師在盟軍飛機的猛烈轟炸下進展緩慢，還在趕往戰地的途中。6月8日，李爾裝甲教導師終於趕到，但沿途已損失了90輛坦克。隆美爾命狄特裡希將第21裝甲師、第SS12黨衛裝甲師和李爾裝甲教導師三個裝甲師全用上，企圖將盟軍趕下海去，但盟軍有強大的空中和海上艦炮的火力支援。狄特裡希的反擊被打退。
到6月12日，蒙哥馬利指揮的第21集團軍群（含美軍第1集團軍與英軍第2集團軍）已在岸上站住了腳，在正面80公裡、縱深13—19公裡的區域內建立了一個連成一片的鞏固登陸場所。面對著德軍第7集團軍。這時德軍第15集團軍在加來附近。6月13日，德軍的第一顆飛彈（V-1）落在了倫敦，但對盟軍登陸沒造成多大影響。希特勒和隆美爾原來準備在盟軍登陸之初將其趕入大海的計劃破產了。隆美爾將主要精力投入建立新的防線，把盟軍儘可能長時間的封在登陸場內，以免盟軍突破防線後向縱深挺進。蒙哥馬利也開始擴大他的登陸場，右翼布萊德雷的美第1集團軍向聖洛方向推進，左翼的英第2集團軍向卡昂進攻。6月25日，美軍攻佔港口要塞瑟堡，可是港口已受到了徹底的破壞。同日，英第2集團軍也向卡昂發起了進攻。7月1日，德西線總司令倫斯德被希特勒免了職，代替他的是克魯格元帥。
到7月6日，盟軍除了藉助登陸艇外還藉助「桑葚」人造港、「醋慄」防波提與「冥王星」海底輸油管將92.9萬名官兵、58.6萬噸補給物資和17.7萬臺車輛輸送上岸。這與守軍的兵力形成二比一的優勢，與守軍的坦克和火炮形成三比一的優勢。盟軍的轟炸使卡昂的街道無法通行，而蒙哥馬利也吃盡了老對頭隆美爾的苦頭，英第2集團軍一路進展緩慢。7月17日，隆美爾的汽車遭到盟軍飛機的攻擊，他多處負傷仍奇蹟般地活了下來。7月18日，英軍終於攻佔了卡昂西城。與此同時，向聖洛方向進攻的美軍也佔領了聖洛城，從而在西毆大陸上建立起從卡昂延伸到聖洛的穩固戰線。至此，諾曼第登陸成功，盟軍也因此具備了收復西毆大陸條件。從6月6日到7月18日的這場諾曼第登陸戰鬥中，德軍傷亡11.6萬人，盟軍傷亡近12萬人。
「法萊斯缺口」
盟軍登陸成功後，決定開始實施更大規模的地面進攻。計劃由蒙哥馬利從卡昂發起攻勢，佔領法萊斯，砸開通往巴黎的大門；布萊德雷集中兵力在聖洛西南突破德軍防禦，直撲布列塔尼半島根部的阿夫郎什。英、美部隊的進攻作戰代號分別為「賽馬場」行動和「眼鏡蛇」行動。
7月18日，英軍首先發起「「賽馬場」行動，英第2集團軍所屬的第2師、警衛裝甲師和第7裝甲師從卡昂出發，向西南打去。為了支援英軍的進攻，盟軍出動了4500餘架飛機，投彈7000多噸。英軍裝甲師的坦克集群在鋼鐵碰撞和炮彈的呼嘯聲中，衝向法萊斯地域。但是，隆美爾在受傷前在這裡已設下了重重陷阱，令英軍坦克手膽寒的88毫米高炮群，已部署在各個要點上。在盟軍飛機轟炸時，德軍把它們隱蔽起來，轟炸一過，又把它們推出，把英軍坦克打得紛紛爆裂、起火。至20日下午，英軍以損失400多輛坦克的代價，只向前推進了7英裡。這時，天又降暴雨，蒙哥馬利只得下令暫停進攻。
7月25日，布萊德雷率美第1集團軍開始實施因天氣不佳而推遲的「眼鏡蛇」行動。這天，天氣晴朗，上午9時45分，盟軍2430架飛機向目標區投下4000噸炸彈和燃燒彈。德軍陣地被炸得一塌糊裡糊塗，通信線路被炸斷，重型裝備損失殆盡。李爾裝甲教導師實際上已被轟炸機所消滅。轟炸一結束，美第7軍軍長柯林斯中將揮師向前推進。與此同時，其右翼的第8軍和左翼的第19軍也發起攻擊。美軍的許多坦克裝有發光識別板和對空聯絡電臺，一遇地面抵抗就呼喚空軍支援，由於地空配合默契，美軍前進速度很快。7月27日，美第8軍和第7軍將德第SS17黨衛裝甲師包圍，德軍突圍未果，又遭盟軍飛機轟炸。7月30日，這個德國裝甲師全軍覆沒。當晚，美第8軍佔領阿夫郎什，進入布列塔尼半島，打開了進入法國腹地的缺口。
8月1日，美軍組建了第12集團軍群，由布萊德雷升任司令，下轄巴頓的第3集團軍（包括第8、第15、第20、第12軍）和霍奇斯的第1集團軍（包括第5、第7和第19軍）。共有5個裝甲師、16個步兵師共約40萬人
第3集團軍的4個軍在阿夫郎什剛一集結完畢，巴頓立刻命令各軍呈扇形展開，第8軍向西直撲布列塔尼半島頂端的布雷斯特，其餘各軍分別向東推進。僅三天，第15軍向前推進了110公裡，佔領了通往勒芒的公路。
面對盟軍絕對優勢兵力的強大進攻，克魯格唯一合理的對策即為退到塞納河一線防守。但是，希特勒遇刺受傷後，他不相信克魯格對他的忠誠，懷疑西線德軍沒有奮力作戰。於是，希特勒從加來把15集團軍的幾個師調往諾曼第，法國南部也調來兵力，準備與盟軍決戰。8月3日，希特勒將把他的代號為「呂希特」的進攻計劃下達給克魯格，命令克魯格集中全部裝甲師從莫爾坦向阿夫郎什進攻，切斷向東突進的巴頓軍團的交通線，將美軍「擲回大海」。若德軍能控制制空權，這未嘗不是一個合理的計劃，可德軍卻並無制空權，因此這就無異於自殺了。
8月7日，克魯格集中了5個裝甲師和2個步兵師向莫爾坦發起進攻，很快佔領了該地，但繼續向阿夫郎什推進時，被美軍的裝甲部隊擋住。中午，盟軍的數百架轟炸機飛臨莫爾坦，一陣狂轟濫炸，使60輛德軍坦克和200輛汽車變成了廢鐵，餘下的沒命地鑽入樹林。當日夜，蒙哥馬利命加拿大第1集團軍向卡昂東南的法萊斯突擊，布萊德雷也令正向東進攻的巴頓軍團調頭北進，合圍德軍主力。克魯格見勢不妙，打算放棄「呂希特」計劃，但希特勒未同意。8月13日，巴頓麾下的第15軍推進到與英、加軍隊分界線阿讓唐以南12公裡的地方，但加拿大部隊仍在法萊斯以北10公裡之外苦戰。巴頓給布萊德雷打電話，要求允許他的部隊越過分界線，佔領阿讓唐和法萊斯。但布萊德雷考慮到盟國部隊之間的關係，強令巴頓不得越界進攻。最後在巴頓的力爭下，蒙哥馬利才同意讓美軍先於英軍佔領了阿讓唐。
8月16日，德軍主力才接到撤退命令，德軍5個裝甲師猛攻阿讓唐，佔領該地的3個美軍師勉強擋住了德軍。這時，加拿大第1集團軍終於佔領了法萊斯，但他們離美軍的距離仍有25公裡，德軍拼死衝向這個缺口。兩條鄉間小道上擠滿了德軍的坦克、車輛和人員，他們趁著天氣惡劣，盟軍飛機無法出動，拼命外湧，總算衝出一些部隊。8月17日，天氣放晴，盟軍飛機蜂擁而出，無情地轟炸和掃射外湧的德軍，德軍成百上千的被打死。
當天，克魯格因牽涉謀殺希特勒的事件而被解出職務，接替他的是莫德爾元帥。克魯格交出職務後，於8月19日服毒自殺。隆美爾也因此事件於10月14日被迫自殺。
8月19日，美軍終於同加拿大軍隊在阿讓唐和法萊斯之間的尚布瓦、特蘭會合，把12個師的德軍扎在口袋裡。但因口袋處的兵力稍微薄弱，一些德軍還是衝出去了，其中包括一半左右的裝甲師。德軍先後逃出的人數超過了總數的三分之一。沒能衝出去的德軍，掙扎在越來越縮小的包圍圈內，遭到盟軍飛機、大炮和機槍的射殺。法萊斯以西成了一口血肉沸騰的大鍋，德國人後來把它稱為「法萊斯開水壺」。包圍圈內的德軍共有1萬多人被打死，5萬人被俘。
8月25日，美第5軍屬下的法國第2裝甲師光復巴黎，至此，諾曼第會戰結束。此役德軍損失近50萬人，其中有21萬人被俘。此外還損失坦克1300輛，火炮1500門，各種車輛2萬輛。盟軍付出了傷亡20餘萬人的代價。經過這此會戰，西線德軍被打斷了脊梁骨，希特勒試圖在法國境內設陣拒敵的希望完全破滅，整個西歐都在盟軍的兵鋒之下。