經過周密考慮和權衡，盟軍最後選定從奧恩河口到科唐坦半島南端的諾曼底地區為登陸地域。整個登陸地域劃分為東、西兩個登陸區。西部登陸區為美軍登陸區，下分2個登陸地段，其代號為“猶他”和“奧馬哈”；東部登陸區為英軍和加拿大軍隊登陸區，下分3個登陸地段，其代號為“哥爾德”、“朱諾”和“斯沃德”。
盟軍登陸部隊編成第21集團軍群，下轄美第1集團軍、英第2集團軍和加拿大第1集團軍。海軍編成西部和東部兩個特混艦隊。西部特混艦隊分為“U”和“O”登陸編隊，負責輸送美第1集團軍上陸，由美國空軍第9航空隊擔任空中支援；東部特混艦隊分為“G”、“J”和“S”登陸編隊，負責輸送英第2集團軍和加拿大第1集團軍上陸，由英戰術空軍第2航空隊擔任空中支援。各登陸編隊均有1個艦炮火力支援大隊擔任炮火準備和炮火支援。
此外，西部和東部兩個特混艦隊還各有一個後續登陸。在預定的登陸之前，盟軍將在美軍登陸區空降2個師，在英軍登陸區空降1個師。第2集團軍和英皇家空軍轟炸機指揮部組成。盟軍參加諾曼底登陸戰役的各軍兵種部隊總兵力計280餘萬人，各種艦艇5.5萬餘艘各型飛機1.3萬餘架。
諾曼底登陸戰役的指揮官：最高司令為艾森豪威爾，副司令為英國A·特德空軍上將，參謀長為美國W·史蒂斯陸軍上將，海軍司令為英國B·拉姆齊海軍上將，空軍司令為英國T·利·馬洛裏空軍上將，登陸部隊總指揮為英國蒙哥馬利陸軍上將。
在登陸戰役開始之前，盟軍的飛機和艦艇對諾曼底等地區進行了長時期的廣泛偵察，查明了德軍的海岸防禦配係、預備隊集結地域、彈藥庫和補給品貯存地，以及防禦縱深內的交通樞紐、橋梁、機場和軍工生產基地的位置等，從而掌握了有關德軍防禦的較完整的情報資料。在登陸前數個月，盟軍的戰略空軍和戰術空軍對德國北部和比利時的鐵路樞紐、公路、橋梁和其他重要目標進行了持續不斷的大規模轟炸，使德軍的交通運輸係統和軍工生產受到巨大破壞，部隊的機動受到極大限製。在登陸前的數周內，盟軍飛機對德軍防區的岸防工事和機場等重要目標實施反複轟炸，以破壞其海岸防禦配係和削弱其空中力量。
為了在登陸地點和時間上迷惑德軍，盟軍進行了一係列戰役偽裝。例如，在英格蘭東部虛設一個由美國巴頓中將任司令官的“美第1集團軍群”，進行軍事演習和假集結，發出大量電訊，並故意讓巴頓在肯特惹人注目地拋頭露麵；在多佛爾海峽的英國港口，設置大量假的登陸艦艇、坦克、滑翔機和物資器材堆積場；登陸前對加來地區的德軍防禦設施進行了集中轟炸，其投彈量比諾曼底地區多一倍；在登陸日前夜，派出一些小型艦隻和飛機進行佯動，利用電子幹擾器材模擬龐大的登陸艦隊和機群。通過種種偽裝措施，使德軍無論在開始登陸之前或之後都誤以為盟軍要在加來地區登陸，從而將德軍的大量預備隊吸引在加來地區。此外，盟軍還采取了嚴格的保密措施。在突擊上陸的時機方麵，盟軍的各種偽裝欺敵活動主要是使德軍相信盟軍完成登陸戰役準備的是早時間是在7月中旬。
為了確保登陸戰役的順利進行，盟軍在物資保障方麵作了充分的準備。1942年月1月31日~1944年5月30日，僅美國運至英國的補給品和裝備就累計達529萬餘噸。為了加快人員上陸和器材卸載的速度，避免卸載作業受到惡劣天氣的影響，盟軍工程兵部隊在戰役準備階段設計、製造了兩個用空心鋼筋混凝土沉箱構成的人工港；在登陸兵突擊上陸後，又在登陸區臨時設置了5個小艇避風所。此外，參戰部隊實施了符合實戰要求的訓練和模擬登陸的三軍聯合演習。