登陸艇由於受到一股強勁的東南方向潮汐的影響，使搶灘地點比預計登陸點南移約1800米，這個意外反而給盟軍帶來意想不到的好運：在預定登陸點有德軍一個團的兵力，還有兩個炮連可以用火力壓製海灘。實際登陸點德軍僅一個連，防守力量薄弱。羅斯福將軍當機立斷，下令將這裏作為登陸點，還樹立起巨大指示牌標明登陸點。水下爆破組很快清理出通道。六時三十分，登陸兵上陸，八時三十分，第一梯隊先頭團突破德軍防線，向內陸發展，九時三十分，初步建立起團登陸場，十時，已上陸兩個團的兵力，基本肅清德軍在這一地區的守軍第709師，加上空降部隊已奪取了四條通路，保證了登陸部隊迅速推進。至日落時，第4師的三個團全部上陸，共上陸21328人，1742輛車，1695噸物資，建立了鞏固的正麵寬4公裏，縱深9公裏的師登陸場，先頭部隊已到達卡朗坦至聖梅爾的公路，並與空降兵會合。D日全天，第4師陣亡僅197人，為預計傷亡的10%，損失極小，是盟軍五個灘頭中最順利，損失最小的。
奧馬哈海灘
在奧馬哈登陸的是美軍第5軍第1師和第29師的各一個團。6月6日三時到達換乘區，當時海麵上風力五級，浪高12米，有10艘登陸艇因風浪太大而翻沉，艇上所載300名士兵就在海麵上掙紮。沒有翻沉的登陸艇上的士兵絕大多數人都暈了船，再加上海水打進艇內，士兵們又冷又濕，當到達海灘時，士兵們已經精疲力盡。
更糟糕的是盟軍在登陸前的火力準備中，最初為達成戰術上的突然性，在預先航空火力準備時沒有對這一地區進行轟炸。6月6日五時五十分，由2艘戰列艦、4艘巡洋艦、12艘驅逐艦組成的艦炮火力支援艦隊實施四十分鍾的艦炮火力準備，可由於害怕霍克角德軍岸炮射擊，軍艦隻是在遠距離上進行射擊，準確率很低。六時由480架B—26轟炸機對德軍防禦陣地進行直接航空火力準備，投彈達1285噸，但當時雲層又低又厚，飛行員怕誤傷己方部隊，故意延遲30秒投彈，結果1285噸炸彈都落在5公裏外。所以德軍的防禦工事和火力點大都完好無損，當盟軍的火力準備剛一結束，德軍的炮火就開始射擊了。
計劃伴隨登陸兵上陸提供及時火力支援的水陸坦克，在西段的32輛中有27輛在下水後的幾分鍾裏就因風浪太大而沉沒，餘下的5輛有2輛是駕駛員技術高超戰勝風浪駛上海灘的，另3輛要歸功於一位坦克登陸艇長的主動精神，他見第一輛坦克剛下水就在風浪中沉沒，立即命令關上艇首門，將餘下的3輛直接送上海灘。在東段指揮員見風浪太大，水陸坦克無法下水，就命令將坦克直接送上海灘，但這樣一來到達海灘的時間提前了，為了等待配合作戰的裝甲車輛，坦克登陸艇不得不在海岸附近徘徊等待，德軍抓住機會猛烈炮擊，擊沉了2艘坦克登陸艇，水陸坦克和裝甲車登陸時間被推遲，可剛上海灘，就被德軍炮火摧毀了好幾輛。接著第一波1500名士兵開始突擊上陸，因為海中有一股向東的潮汐，以及岸上迷漫的硝煙，使得士兵難辨方向，隊形也變得混亂。上陸時士兵們要先趟水涉過1米多深，50—90米寬的淺水區，還要通過180—270米寬毫無遮掩的海灘，才能接近到堤岸，而且這一切都在德軍密集而猛烈的炮火下。所以在最初的半小時裏，這1500名士兵根本無法投入作戰，隻是在淺水中、海灘上為生存而苦苦掙紮。在第一批登陸的8個連中隻有2個連登上預定海灘，但也被德軍的火力壓得抬不起頭。由工兵和海軍潛水員組成的水下爆破組，傷亡慘重，裝備丟失損壞嚴重，但仍克服困難冒著德軍炮火開始清除障礙物，在東段開辟出兩條通路，在西段開辟出四條通路，可惜在漲潮前來不及將通路標示出來，後續登陸艇一直找不到通路，擁塞在海灘上聽任德軍炮擊。
第二波於七時到達海灘，正逢漲潮，德軍炮火非常準確猛烈，完全將登陸部隊壓製在狹窄的灘頭。兩小時裏美軍在西段沒有一個人衝上海灘，在東段也僅僅占領9米寬的一段海灘。海麵上擠滿了登陸艇，秩序異常混亂，海灘勤務主任隻好下令隻許人員上陸，車輛物資一律暫時不上陸。此時美軍第1集團軍司令布萊德利根據幾份零星的通信和軍艦了望哨的報告，知道登陸遇到極大困難，勝利幾乎不可能了，他打算放棄在奧馬哈的登陸，讓美軍第5軍後續部隊在猶他海灘或英軍的灘頭上陸。
然而就在這時，局勢發生了轉機，擔任艦炮火力支援的美國海軍見陸上的官兵死傷累累，岸上火力控製組和海軍聯絡組都沒有消息，意識到海灘上形式已極為嚴峻，17艘驅逐艦不顧擱淺、觸雷和遭炮擊的危險，駛到距海灘僅730米處，進行近距火力支援。海灘上有150名別動隊員艱難地爬上了霍克角，發現所謂的155mm海岸炮竟然是電線杆偽裝的，消除了海岸炮的威脅，美軍的驅逐艦大發神威，向海灘上德軍火力點逐一開火，強大的火力打得德軍毫無招架之力，隻得掛白旗乞降。然後驅逐艦又向每一個新發現的目標射擊，並且隻要見陸軍用曳光彈射擊，就把它當作是在指示目標，馬上進行轟擊。正是驅逐艦的積極援助，逐步壓製住德軍的火力，為海灘上的美軍攻擊創造了條件。
中午時分，第二梯隊三個團的生力軍提前上陸，在艦炮和坦克支援下，一步一步擴大登陸場天黑時，第1師和第29師終於殺開一條血路，占領正麵6.4公裏，縱深2.4公裏的登陸場，到夜間登陸場正麵進一步擴大到8公裏，上陸人員共3.5萬人。D日全天，美軍第5軍付出的代價也極為慘重，光陣亡就達2500人。當夜，第5軍軍部上岸，開設前進指揮所。軍長羅傑少將向布雷德利發出的第一封電報就是：“感謝上帝為我們締造了美國海軍。”
金 海 灘
在金海灘登陸的第一梯隊是英國第30軍的第50師，加強有第79特種裝甲師的一個坦克旅。第二梯隊是英國第7裝甲師，這是盟軍在D日登陸的唯一一個裝甲師，該師參加過北非戰役並打敗了隆美爾的“非洲軍團”，是盟軍裝甲部隊中的王牌。
6月6日四時五十五分，編隊到達換乘區。由於金海灘的卡爾瓦多斯礁脈在低潮時是露出水麵的，所以登陸時間必須在漲潮後的六十分鍾，這樣登陸時間就定為七時二十五分，也就使英軍的火力準備時間比較充足，艦炮火力準備長達一百分鍾，持續而猛烈的炮擊收到了很大效果，德軍幾個主要的支撐點都被摧毀。由於風浪太大，登陸指揮員臨時決定水陸坦克不下水，由坦克登陸艇直接送上灘頭，這就避免了像美軍那樣的損失。再加上德軍支撐點的火力隻能縱向射擊海灘，無法向海上目標射擊，就使得英軍登陸部隊搶灘衝擊時沒有遭到炮火射擊，衝上海灘進入德軍炮火射界後又得到水陸坦克和特種坦克的有力支援，很順利地控製了登陸場。英軍的推進非常順利，一直到勒阿米爾村才遭到較猛烈的抵抗，步兵被德軍縱深火力所阻遏推進受阻。這時候英軍三輛用於充當開路先鋒的“巨蟹”掃雷坦克，在登陸後的戰鬥中一輛被毀，一輛陷入沼澤，僅剩的一輛開上來一直突入村內將德軍火力打啞，為步兵掃清障礙。在其他地方，一切就像演習那樣非常順利。到十一時，第二梯隊第7裝甲師開始上陸，海灘上已由特種坦克開辟出七條通路，所以英軍的推進順暢無阻。十二時三十分，第50師集中主力兩個旅的兵力並肩向內陸進攻，於當晚二十一時占領阿羅門奇，與在朱諾海灘登陸的加拿大軍隊會合，將兩個灘頭連成一片。
至此英軍第50師完成了預定任務，占領了縱深約8公裏的師登陸場，當天上陸約3.5萬人，傷亡約1500人。
朱諾海灘
在朱諾海灘登陸的是加拿大第1軍第3步兵師，加強有第79裝甲師的一個特種坦克旅。
6月6日四時三十分，編隊按時到達換乘區，由於航行中天氣惡劣，加上導航錯誤，使登陸時間比預定時間推遲了二十分鍾，這就意味著登陸將錯過合適的潮汐，不得不在漲起的潮水中進行，登陸艇被迫在被潮水淹沒的障礙物之間卸下人員、車輛和物資，慶幸的是在登陸時損失並不大，但登陸艇在卸載完成後返航時有很多被布設在障礙物中水雷炸沉，其中運送一個營的24艘登陸艇被炸沉20艘，損失率高達83%。因為在航空火力和艦炮火力準備時天氣惡劣，所以對德軍防禦工事破壞不大，因此當加軍步兵上陸後，一度遭到德軍的壓製。還好盟軍艦炮火力召喚支援非常及時準確，加上水陸坦克的積極配合，終於突破了德軍防線取得了進展。隻是運送工兵的登陸艇很晚才到，排除水下障礙物的工作直到高潮過後才開始，這樣使得海灘上通路很少，導致大量車輛擁擠在海灘上，後來在特種坦克支援下打通了12條通路，這才迅速疏通了海灘，保障了後續部隊的上陸和推進。傍晚時分，加軍先頭部隊已推進到內陸11公裏處，甚至有些裝甲部隊已到達貝葉至岡城公路，隻是沒有步兵伴隨掩護又退了回來。
當日日終，加軍已推進到距岡城5公裏處，並與英軍的金海灘連成一片，使兩個登陸場合二為一，形成正麵19公裏，縱深10公裏的大登陸場。D日全天，加軍從朱諾海灘上陸約2萬人，傷亡約2000人。
劍 海 灘
由於登陸正麵太過狹窄，在此登陸的英軍第1軍第3步兵師的第一梯隊僅一個旅。為保證登陸編隊航行不出偏差，英軍還特地派X—23號袖珍潛艇在此足足潛伏了兩天兩夜，在登陸時上浮作航向引導。
6月6日四時三十分，S編隊到達換乘區，五時三十分，德軍從勒阿弗爾出動了4艘魚雷艇攻擊了S編隊，擊沉了挪威驅逐艦“斯文內爾”號。
七時三十分，第一梯隊旅開始上陸，由於航空火力和艦炮火力準備十分有效，加上第一梯隊中的40輛水陸坦克有32輛順利上陸，為登陸部隊提供了有力的火力支援，使登陸部隊進展十分順利迅速，幾乎沒遇到多少頑強抵抗。十時第二梯隊旅上陸，十三時，預備隊旅上陸。除了最初的輕微傷亡外，一切都順利的出乎意料，反倒使預料將在海灘上浴血奮戰的士兵不知所措，他們沒有乘勝前進，停下來挖壕固守。隻有第1特種勤務旅繼續推進，很快占領了考勒維爾，並在十三時三十分到達奧恩河與英國第6空降師會合。十五時五十分，S編隊司令塔爾博特少將上岸視察，發現海灘上人員和車輛秩序混亂，隨即命令派出海灘控製組上岸整頓海灘秩序。
D日晚二十一時，第3師已推進到內陸6.4公裏，並奪取了貝諾維爾附近的奧恩河上的橋梁，與第6空降師會師。而編入第3師的171名自由法國士兵成為第一批解放自己祖國的法軍，當他們坐在坦克上用純正法語向路邊的居民問好時，讓生活在德軍的占領下的人們大為驚喜，法軍登陸的消息立即不脛而走，從而在沿途都受到了極為熱烈的歡迎，其熱情程度甚至影響了部隊的推進。
從D日的整體情況來看，盟軍在五個海灘都取得了成功，然而形勢並不樂觀，盟軍沒有完成當日任務，沒有占領預定占領的地區，尤其是沒占領卡昂和貝葉，而且在五個灘頭中，隻有金海灘和朱諾海灘連成一片，其餘灘頭之間都存在不小空隙，特別是美、英兩軍之間還有達12公裏的大空隙。要知道隻有頂住了德軍隨後的反擊，並將五個灘頭連成一片，擴展成統一的登陸場後，才可以談得上勝利。
出乎盟軍意料的是在D日德軍並未組織反擊，這主要是惡劣天氣影響，德軍從上到下都認為盟軍是不可能在這樣的天氣裏發動進攻的，前線部隊沒有進入臨戰狀態，甚至一些必要的巡邏警戒都被取消了。就在盟軍登陸的關鍵時刻，德軍一些重要指揮官都不在崗位，諾曼底地區唯一的裝甲單位，也就是德軍最初反擊的中堅，第21裝甲師師長費希丁格少將以及師作戰處處長認為惡劣天氣不會有什麼情況，乘機到巴黎休假，隻留下參謀長在卡昂的師部。B集團軍群司令隆美爾正趕回赫爾林根的家中慶賀妻子的生日。而掌握戰略預備隊指揮權的希特勒剛剛入睡，隨從接到前線的緊急報告，卻不敢叫醒他，直到他自己醒來，已是6月6日上午十時，此時盟軍的空降兵著陸已八小時，登陸兵上陸也已四小時。在這一期間，德軍西線總司令龍德施泰特元帥要求將戰略預備隊的裝甲部隊投入反擊，但被總參謀長約德爾拒絕。希特勒醒後，聽取了有關部門的報告，認為在諾曼底的登陸隻是一場佯攻，所以下令B集團軍群的第15集團軍和戰略預備隊都不得調往諾曼底。可到了當天的十四時，他改變了主意，將黨衛軍第12裝甲師劃歸諾曼底的第7集團軍指揮，一小時後即十五時，又命令黨衛軍第12裝甲師和裝甲教導師組成黨衛軍第1裝甲軍，立即開赴諾曼底。但這一命令因盟軍強烈的電子幹擾，直到十六時才傳到這兩個師，而此時這兩個師距戰場距離都很遠，加上盟軍空軍對交通線的嚴密封鎖，根本無法在D日投入戰鬥。在D日組織反擊隻有第21裝甲師，可是師長不在指揮崗位，參謀長無權調動集結部隊，他隻好將手上僅有的24輛坦克派去攻擊卡昂以東的英軍。因為倉促出動，準備不足，加上沒有步兵伴隨支援，被英軍輕而易舉擊退。除此之外德軍在D日就再沒什麼反擊了。
6月6日，也就是被隆美爾預言為“決定性的二十四小時”，被艾森豪威爾稱作“曆史上最長的一天”，就這樣平靜地渡過了。
6月7日，希特勒將西線裝甲集群的5個裝甲師的指揮權交給隆美爾，隆美爾決心憑借這支精銳部隊大舉反擊，但麵對嚴峻局勢，他不得不把反擊的第一個目標定為先阻止盟軍將五個登陸灘頭連成完整的大登陸場，其次再確保卡昂和瑟堡。可惜這支裝甲部隊從100—200公裏外趕來，一路上在盟軍猛烈空襲下，根本無法成建製投入作戰，即使零星部隊到達海灘，也在盟軍軍艦炮火的轟擊下傷亡慘重，再沒了往日的威風。就這樣整個7日白天，在盟軍海空軍絕對優勢火力下，德軍無力發動決定性的大規模反擊。
7日下午，艾森豪威爾在海軍司令拉姆齊陪同下，搭乘驅逐艦到達諾曼底，視察登陸灘頭，並同蒙哥馬利、布萊德利等高級將領討論戰況，認為在猶他海灘和奧馬哈海灘之間在卡朗坦河口留有一個大缺口，這是個很嚴重的隱患，為此艾森豪威爾決定改變原定計劃，命令美第5軍和第7軍暫不急於去攻占瑟堡，而是趁德軍尚無力反擊的有利時機，先封閉這一缺口。英軍則肅清海灘附近殘餘德軍，進一步鞏固登陸場。當天英軍攻占巴約。
6月8日，德軍3個裝甲師向卡昂地區英、加軍結合部猛攻，遭到英軍反坦克炮和海軍艦炮聯合抗擊，損失極大。至此隆美爾和龍德施泰特都明白以現有兵力是無法消滅登陸的盟軍了，於是隻得下令就地轉入固守。這一天奧馬哈的美軍與金海灘的英軍取得了聯係，初步封閉了兩地之間的缺口。
6月9日，希特勒在龍德施泰特的極力要求下，同意從駐加萊的第15集團軍抽調17個師用於諾曼底。但在盟軍“衛士”計劃的影響下，同時在總參謀長約德爾、最高統帥部辦公廳主任凱特爾、西線情報處處長羅恩納等人的反對下，希特勒於午夜時分，下令停止增援諾曼底，並將其他地區部隊火速調往加萊。 龍德施泰特聞訊後仰天長歎：“這場戰爭輸定了！”
同一天，美軍第2步兵師在奧馬哈海灘上陸，美第5軍在得到該師加強後，向西向南大步推進。
6月10日，隆美爾和西線裝甲集群司令馮·施韋彭格上將一致決定集中在諾曼底的所有裝甲部隊，在第2空降軍的配合下，全力反擊，以阻止盟軍繼續擴大登陸場。不料盟軍的飛機轟炸了西線裝甲集群司令部所在地，施韋彭格被炸成重傷，他的參謀長和很多參謀人員喪生，使得這次反擊還未實施就胎死腹中。
6月11日，美第5軍推進到科蒙——塞裏亞——伊濟尼一線，其先頭部隊正越過維爾河口，努力打通與美第7軍的聯係。德軍明白一旦這兩個軍連成一片將構成極大威脅，所以全力阻止美軍的行動，雙方激戰不斷，黃昏時美軍第5軍已同第7軍建立起了聯係。 同一天，盟軍的人工港被拖到諾曼底投入使用，使盟軍的卸載速度大大提高，在美軍地段的“桑樹A”人工港，卸載車輛的速度達到每分鍾2輛。
6月12日，美軍攻占卡朗坦。至此五個登陸場連成了一片，形成正麵寬80公裏，縱深12—18公裏的大登陸場。在七天裏共上陸人員32.6萬，物資10.4萬噸，並繼續向大陸運送更多的人員、物資、裝備和補給。