Po přepadení SSSR mohla být proti případnému spojeneckému vylodění v západní Evropě nasazena pouze menší část německých sil. Stalinovo neustálé volání po otevření druhé fronty v Evropě zůstávalo dlouho oslyšeno – konečně, příliš uspěchané vylodění mohlo skončit nezdarem, což by znamenalo, že by se nějakou dobu nemohlo opakovat a část hitlerovských sil soustředěných na Atlantickém valu by se mohla přesunout na východní frontu. Pokusný útok jediné kanadské divize na přístav Dieppe 19. srpna 1942 skončil nezdarem.
V následujícím období však Spojenci shromáždili v Anglii dostatečné síly k úspěšnému vylodění a těšili se naprosté převaze ve vzduchu. Práce na přípravě invazních plánů byly zahájeny v březnu 1943, operace s krycím názvem Overlord měla začít 1. května 1944. Otázkou bylo, kde vylodění uskutečnit. Muselo se jednat o oblast, která by byla v dosahu spojeneckých stíhačů operujících z jihoanglických letišť. Německé velení bylo přesvědčeno, že z vojenského hlediska je nejsmysluplnější útok v oblasti Calais. Volba spojeneckých velitelů však padla právě na Normandii. V lednu 1944 byl plán přepracován, potřebné síly pro vyloďovací operaci zvětšeny, což si vyžadovalo odklad na 5. června.
Situace německých sil na francouzském pobřeží byla neuspokojivá. Atlantický val nebyl ani zdaleka dobudován. Vrchním velitelem německých sil v západní Evropě byl polní maršál Gerd von Rundstedt, jemuž podléhalo celkem šedesát divizí, Skupině armád B, soustředěné v místech budoucího vylodění, velel Erwin Rommel. Jejich názory na způsob obrany se lišily – Rommel plánoval nasadit všechny dostupné síly co nejblíže plážím, protože se obával, že prvních 24 hodin po začátku invaze bude rozhodujících. Přesto byla větší část nejlepších německých sil stažena hlouběji do týla. Komplikovaná struktura německého velení snižovala šanci porazit spojenecké invazní síly.
Počátkem června 1944 zuřilo nad průlivem La Manche špatné počasí, 5. června tedy k vylodění nedošlo. Spojenečtí meteorologové však správně předpověděli, že se počasí na krátkou dobu utiší a 6. června bude možno invazi provést. Tento risk vyšel.
Invazní síly pod velením amerického generála D. D. Eisenhowera činily celkem 39 divizí – 22 amerických, 12 britských, 3 kanadské, 1 polskou a 1 Svobodné Francie. Tyto síly dohromady tvořily 21. skupinu armád pod vedením britského vojevůdce Bernarda Montgomeryho, povýšeného v září 1944 na polního maršála. Operace se účastnilo takřka 4000 plavidel všech velikostí, stejně jako 11 500 letadel všeho druhu. V předešlém období byly německé pozice a komunikace soustavně napadány letecky i francouzskými partyzány.
V noci před vyloděním, jež dostalo krycí název operace Neptun, byly v Normandii shozeny 3 výsadkové divize. Samotné vylodění proběhlo na pěti plážích s krycími názvy Utah (dobýt ji měly síly USA), Omaha (USA), Gold (Britové), Juno (Kanada) a Sword (Britové). Jako první měli v 6:30 ráno vstoupit na francouzskou půdu Američané na Utahu, vylodění v britském sektoru mělo podle plánu začít o hodinu později. Americké síly měly za cíl izolovat Cherbourg, síly Britského impéria plánovaly obsadit významné město Caen. Invazní fronta byla široká celkem 80 km, první fázi vylodění mělo provést celkem 5 divizí, další 2 byly ihned připraveny na lodích. Důvtip Spojenců při invazi se nevyčerpal nasazením plovoucích nebo odminovávacích tanků. Právem se očekávalo, že osvobozené přístavy budou zničené – vykládku tak měla zajišťovat dvojice umělých přístavů Mulberry A a B, dopravu paliva z Anglie na kontinent v pozdějších fázích bojů mělo zajišťovat podmořské potrubí Pluto.
Německé síly nedokázaly vylodění zabránit. Na nejtvrdší odpor narazily invazní síly na pláži Omaha, kde zrovna jednotky německé 352. divize nacvičovaly odražení vylodění. Z menších akcí si věhlas získala akce amerických Rangers v Pointe du Hoc, mající za cíl zničit šestici 155 mm kanónů ohrožujících pláže Utah a Omaha. Ztráty Spojenců v první den operace byly značné, zhruba 10–11 000 mužů, z toho asi 3000 na pláži Omaha. Úkoly pro první den invaze nebyly v žádném případě naplněny. Nepodařilo se vytvořit jednotné předmostí. Caen, bráněné německou 21. tankovou divizí, nejenže nebylo dobyto 6. června, ale boje o ně zuřily až do 20. července.
Ve Francii však již první den přistálo 153 000 spojeneckých vojáků a další byli na cestě. Německé vrchní velení nenasadilo včas nejlepší zálohy z obav, že k hlavnímu vylodění dojde u Calais.
Přesto se Spojencům zprvu nedařilo postoupit hlouběji do nitra Francie. Teprve 26. června byl osvobozen Cherbourg, tamní přístav však byl důkladně zničený. Zatímco 22. června 1944 Sověti zahájili nadmíru úspěšnou operaci Bagration, během níž postoupili od horního Dněpru až k Varšavě, západní Spojenci stále drželi jen část Normandie, a to přesto, že počátkem července měli Spojenci na kontinentu již milion vojáků. Teprve v rámci operace Cobra 25.–31. července síly západních Spojenců pronikly z normandského předmostí směrem na jihozápad, k pobřežnímu městu Avranches na pomezí Normandie a Bretaně. Počátkem srpna následoval postup do Bretaně a na Loiru. 7. srpna zahájily německé tankové divize protiútok směrem na Avranches, neuspěly však a záhy se v prostoru Falaise ocitly v kotli, ze kterého unikly pouze se ztrátou 60 000 mužů. 15. srpna se spojenecké síly vylodily v jižní Francii (operace Dragoon), 25. srpna byla osvobozena Paříž.
Vylodění v Normandii představovalo největší vyloďovací operaci v dosavadních dějinách a zásadně přispělo k osvobození Evropy.