ב-6 ביוני עם שחר נפתח השלב השני של הפלישה, מבצע הנחיתה האמפיבית בחופי נורמנדי, בהפגזה כבדה שהנחיתו אוניות מערכה וספינות מלחמה של בעלות הברית על ביצורי החוף הגרמניים בחופי הנחיתה המיועדים. בשעה 06:30 החלו שתי דיוויזיות אמריקניות מתוגברות מהארמייה הראשונה לנחות בשני קטעי חוף, שקיבלו את שמות הקוד חוף יוטה וחוף אומהה. הנחיתה בחוף יוטה, חוף הנחיתה המערבי ביותר בתוכנית הפלישה, נתקלה בהתנגדות גרמנית מועטה, ועד תום יום הפלישה הצליחו הכוחות הנוחתים לבסס ראש גשר בעומק כ-7 קילומטרים במחיר אבדות קלות. אולם הנחיתה בקטע החוף המזרחי יותר, חוף אומהה, לא נחלה הצלחה דומה, ונתקלה בקשיים רבים. קטע חוף זה היה מבוצר היטב, ושורת כשלים וטעויות גרמו לכך, שהריכוך הארטילרי והאווירי של מערך ההגנה הגרמני לא היה יעיל, וכמעט לא גרם נזק למגינים. כתוצאה מכך, גלי הנחיתה הראשונים ספגו אבדות כבדות מאוד ורותקו למקומם בקו החוף. הפיקוד האמריקאי שקל בשלב מסוים להפסיק את מבצע הנחיתה בחוף, אך בסופו של דבר הצליחו הכוחות הנוחתים להתאושש ולשתק בהדרגה את אש ביצורי החוף הגרמניים, בזכות שילוב של נחישות, יוזמה מקומית של מפקדים זוטרים וסיוע ארטילרי של תותחי הצי. עד תום יום הפלישה הצליחו הכוחות הנוחתים בחוף אומהה לאבטח ראש גשר מוצק בעומק כ-2.5 קילומטרים, אולם הקשיים בהם נתקלה הנחיתה בחוף זה גרמו לכך, שנותר פער רחב בין שני ראשי הגשר האמריקניים, ובין המאחז האמריקני בחוף אומהה לבין חוף גולד, ראש הגשר הבריטי המערבי ביותר בחוף נורמנדי.
בחלק המזרחי של ראש הגשר המתוכנן של כוחות בעלות הברית בנורמנדי, באזור שבין באייה לבין שפך נהר אורן, נחתו שלוש דיוויזיות בריטיות וקנדיות, מתוגברות ביחידות שריון וקומנדו, מהארמייה הבריטית השנייה בשלושה קטעי חוף, שקיבלו את שמות הקוד חוף גולד, חוף ג'ונו וחוף סורד. הנחיתה החלה בשעה 07:30, כשעה אחרי נחיתת הכוחות האמריקניים בגזרה המערבית של ראש הגשר. על אף, שבמספר מקומות נתקלו הכוחות הנוחתים בהתנגדות עזה של המגינים, הם הצליחו להבקיע דרך ביצורי החוף הגרמניים ולהשיג חלק ניכר מיעדיהם, במחיר אבדות קלות יחסית. עם זאת, עיכובים בהגעת גלי הנחיתה המאוחרים לראשי הגשר, שנבעו בעיקר מהגאות הגבוהה ומכשולי החוף הגרמניים, מנעו מהכוחות הבריטיים והקנדיים להתקדם עמוק אל תוך היבשה, ולהרחיב את ראשי הגשר שלהם. הדיוויזיה הבריטית ה-3, שנחתה בחוף סורד, באגף המזרחי של ראש הגשר המתוכנן בנורמנדי, הצליחה אמנם לחבור לכוחות המוצנחים הבריטיים, שהשתלטו על הגשרים על נהר אורן, אך לא הצליחה לכבוש את שדה התעופה קרפיקה ואת העיר קן, ולחבור עם הכוחות הקנדיים שנחתו בחוף ג'ונו, באגפה המערבי. כיבוש קן - יעד שפילדמרשל ברנרד לו מונטגומרי ייחס חשיבות עליונה להשגתו ביום הפלישה הראשון - התברר כמשימה שאפתנית מדי.
העוצמה האווירית והעליונות האווירית המכרעת של חיילות האוויר של בעלות הברית באו לידי ביטוי גם ביום הפלישה. במהלך היום הזניקו בעלות הברית לאוויר 3,467 מפציצים כבדים, 1,645 מפציצים בינוניים ו-5,409 מטוסי יירוט, שביצעו 13,688 גיחות. לשם השוואה, הלופטוואפה ביצע במהלך אותו יום 309 גיחות בלבד, ולפעילותו האווירית לא הייתה כל השפעה על הפלישה. אחת הסיבות לכך הייתה, שיומיים לפני ה-6 ביוני פוזרו המטוסים הגרמניים ברחבי צרפת בקבוצות של 2–3 מטוסים, כדי להקטין את פגיעותם לתקיפות על שדות התעופה שלהם, מהלך שלא איפשרה לפיקוד הלופטוואפה לרכז מספר משמעותי של מטוסים נגד מבצע הפלישה. עדות לחולשת הלופטוואפה ניתן למצוא בעובדה, שמתוך 113 המטוסים של בעלות הברית, שהופלו במהלך יום הפלישה, אף אחד לא הופל בידי מטוסים גרמניים. כולם הופלו באש נ"מ מהקרקע.
תגובת הפיקוד הגרמני לנחיתה בחופי נורמנדי הייתה איטית ומבולבלת. המבצע המוטס הגדול של בעלות הברית בלילה שקדם ליום הפלישה, והפיזור הרחב של הכוחות המוטסים ברחבי חצי האי נורמנדי, גרמו למבוכה ולבלבול בקרב הפיקוד הגרמני המקומי, והטעו אותו ביחס למיקום וליעדים של כוחות בעלות הברית. חלק מהכוחות הגרמניים באזורים בהם בוצעה הפלישה, הופנו לטפל באיום של הכוחות המוצנחים, ובכך החלישו את הכוחות שהגנו על החופים בהם נחתו כוחות בעלות הברית. דיוויזיית הפאנצר ה-21, כוח העתודה הנייד היחיד שעמד לרשות הארמייה הגרמנית השביעית בנורמנדי, ביזבזה חלק ניכר מיום הפלישה בתנועה הלוך ושוב עקב שינויים במשימות שהוטלו עליה, ותנועותיה עוכבו על ידי תקיפות מהאוויר. כאשר תקפה הדיוויזיה לבסוף, בשעות אחר הצהריים, את ראשי הגשר הבריטיים מצפון לקן, היא נבלמה ללא קושי, והתקפת הנגד שלה לא יצרה איום ממשי על ראשי הגשר.
ערפל הקרב והצלחת תוכנית ההטעיה של בעלות הברית ביחס לאזור בו תתבצע הפלישה, גרמו לכך שהפיקוד הגרמני העליון הגיב באיטיות רבה לידיעות על נחיתת כוחות בעלות הברית בנורמנדי. עיכוב נוסף נגרם בעקבות הצורך לשכנע את היטלר לאשר משלוח חלק מהעתודות הניידות (דיוויזיות הפאנצר) הגרמניות בצרפת לטפל באיום הפלישה. כאשר האחרון אישר לבסוף לשלוח שתי דיוויזיות פאנצר לנורמנדי, התעכבה הגעתן לזירת המערכה למשך זמן רב עקב תקיפות חוזרות ונשנות מהאוויר של מטוסי בעלות הברית, שנהנו מעליונות אווירית מוחלטת, והריסת גשרים ומסילות ברזל בנתיב תנועתן. כתוצאה מכך הם הגיעו לזירה מאוחר מכדי שתהיה להן השפעה על תוצאות הפלישה, לאחר שבעלות הברית הצליחו לבסס את ראש הגשר שלהם על אדמת צרפת.
ביום לחימה אחד הצליחו כוחות בעלות הברית להבקיע את החומה האטלנטית - שהוקמה על ידי הגרמנים במשך שנים, בהשקעה רבה של זמן ומשאבים - ולבסס מספר ראשי גשר על חופי נורמנדי. עד תום יום הפלישה הונחתו בנורמנדי מהים ומהאוויר 156 אלף חיילים, כמויות גדולות של ציוד כבד ואלפי כלי רכב. כוחות בעלות הברית ספגו אמנם אבדות ניכרות (למעלה מעשרת אלפים נפגעים) במהלך יום הפלישה, אולם אבדותיהם היו קלות יחסית להערכות המוקדמות של פיקוד בעלות הברית. מצד שני, בתום יום הפלישה עדיין נותרו פערים בין ראשי הגשר השונים של כוחות בעלות הברית, שהגרמנים יכלו לנצל לצורך התקפות נגד, העומק המרבי של ראשי הגשר לא עלה על 10 קילומטרים, וכביש קן-באייה-קרנטן, יעד מרכזי של הכוחות הנוחתים, עדיין נותר בשליטה גרמנית.
הצדדים היריבים.
כוחות בעלות הברית.
הפלישה לנורמנדי הייתה מבצע צבאי משותף, בהשתתפות כוחות ים, אוויר ויבשה של מספר רב של מדינות. המרכיב העיקרי של כוחות בעלות הברית, הן מבחינת כוח אדם והן מבחינת ציוד היה אמריקאי. המרכיב השני בחשיבותו היו כוחות צבא מהאימפריה הבריטית וממדינות חבר העמים הבריטי (במיוחד מקנדה). בנוסף לכך כללו כוחות בעלות הברית בנורמנדי יחידות בסדר כוחות דיוויזיוני מצבא צרפת החופשית, ומצבא פולין החופשית, וכן יחידות קטנות יותר ממדינות נוספות באירופה, שנמצאו תחת הכיבוש הנאצי. דווייט אייזנהאואר, ששימש כמפקד העליון של כוחות בעלות הברית ביבשת אירופה, ניצל את כישרונותיו הדיפלומטיים כדי לשמור על תיאום בין צבאות המדינות, ששירתו תחת פיקודו.
מרבית יחידות הקרקע של בעלות הברית, שנועדו להשתתף במערכה במערב אירופה, היו חסרות ניסיון קרבי ומבצעי קודם, על אף שהן עברו אימונים אינטנסיביים במהלך שהותן על אדמת בריטניה בשנים שקדמו לפלישה לנורמנדי. רק מעטות מתוך היחידות של צבאות ארצות הברית, בריטניה וקנדה, שנטלו חלק במערכה בנורמנדי, השתתפו בלחימה נגד צבאות הציר בשלבים מוקדמים יותר של מלחמת העולם השנייה - במסגרת המערכות בצפון אפריקה, בסיציליה ובאיטליה.
העדיפות המכרעת בכוח אדם ובציוד צבאי ממנה נהנו בעלות הברית המערביות על פני גרמניה הנאצית (שלמעלה משני שלישים מכוחות הקרקע שלה היו מרותקים ללחימה בחזית הסובייטית) ב-1944, גרמה לכך, שככל שהתמשכה המערכה בנורמנדי, כך גדל הפער ביחסי הכוחות בין הצדדים היריבים לטובת בעלות הברית. עד לתום יום הפלישה (ה-6 ביוני) נחתו בנורמנדי כ-156 אלף חיילים של בעלות הברית. שבועיים לאחר מכן, ב-19 ביוני, כבר כללו כוחות בעלות הברית בראש הגשר בנורמנדי כ-629 אלף חיילים וכ-95 אלף כלי רכב. בסוף יוני 1944 גדל מספר זה לכ-875 אלף חיילים ו-148 אלף כלי רכב. עד 25 ביולי הונחתו בחופי נורמנדי כמיליון ו-452 אלף חיילים (מתוכם כ-812 אלף חיילים אמריקנים וכ-640 אלף בריטיים וקנדיים), וב-21 באוגוסט, זמן קצר לפני סיום המערכה בנורמנדי, כבר כללו כוחות בעלות הברית בנורמנדי כשני מיליון ו-52 אלף חיילים.
לקראת אמצע אוגוסט 1944 כללו כוחות בעלות הברית בנורמנדי לפחות 39 דיוויזיות - מתוכן 12 דיוויזיות משוריינות ו-3 דיוויזיות מוטסות - בתוספת 16 בריגדות עצמאיות (כולל בריגדה בלגית ובריגדה הולנדית). מספר זה כלל 22 דיוויזיות אמריקאיות, 12 דיוויזיות בריטיות, 3 דיוויזיות קנדיות, דיוויזיה פולנית ודיוויזיה צרפתית. בניגוד לצבא הגרמני, כל העוצבות של בעלות הברית, שלחמו בנורמנדי, היו ממונעות בשלמותן. עובדה זו העניקה להם יתרון משמעותי על הצד הגרמני בשלבי הסיום של המערכה בנורמנדי, כאשר הלחימה הפכה למלחמת תנועה.