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 יחידות צבא מצרפת, וכן ממדינות נוספות 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.
כוחות.
מרביתו של צבא היבשה של בעלות הברית שתוכנן להשתתף במערכה בצפון אירופה היה חסר ניסיון. כך לדוגמה, מתוך כחמישים דיוויזיות הרגלים, השריון והצנחנים האמריקאיים, רק שתי דיוויזיות השתתפו קודם בלחימה – דיוויזיית הרגלים הראשונה והדיוויזיה המוטסת ה־82. הדיוויזיות הרביעית וה־29 הופעלו מחדש בשנותיה הראשונות של המלחמה, אך לא לקחו בה חלק. גם רוב הצבא הבריטי היה חסר ניסיון מבצעי, על אף שהבריטים היו שרויים בלחימה עם גרמניה זה ארבע שנים. רק דיוויזיות מעטות שנועדו לקחת חלק בפלישה לנורמנדי השתתפו קודם לכן בלחימה במערכות באפריקה ובאיטליה. למעט הדיוויזיה ה־50 המנוסה. הדיוויזיה השלישית והדיוויזיה המוטסת השישית כמעט ולא השתתפו בלחימה קודם לכן. הדיוויזיה הקנדית השלישית הוקמה ב־1941, ובמשך שלוש שנים עברו אנשיה אימונים באנגליה.
צבא היבשה של ארצות הברית, שכלל במאי 1944 כ־89 דיוויזיות, מתוכן 16 משוריינות, הורכב ברובו ממגויסי חובה. עם זאת, היחידות הלוחמות לא זכו להקצאה עדיפה של כוח אדם, כשמיטב המגויסים (המשכילים והבריאים יותר) נשלחו לשרת בזרוע האוויר ויחידות המטה והשירותים השונות. יוצאות דופן היו הדיוויזיות המוטסות, שנחשבו ליחידות עילית. אנשיהן, שהיו מתנדבים, עברו אימונים קשים ומפרכים. אולם דיוויזיות מוטסות אלו היו ביסודן דיוויזיות "קלות", שלא נשאו נשק כבד כמו תותחי נ"ט וארטילריה. עקב כך הן היו תלויות באספקה מהאוויר, והיו חסרות יכולת להתמודד נגד שריון.
הארמדה הימית שתוכננה לסייע לפלישה הייתה אחת הגדולות בהיסטוריה הצבאית, וכללה אלפי כלי שיט, החל מאוניות קרב ועד אסדות נחיתה קטנות. תפקידו של הכוח הימי, תחת פיקודו של אדמירל ברטרם רמזי, היה לאבטח את התעלה האנגלית, להפגיז את הגנות החופים קודם לנחיתות, לשאת את הגייסות ולהנחיתם בחופים, ולהעביר אספקה ותגבורות עד אשר יכבשו נמלים עיקריים. תחילה היה אמור להיות הכוח הימי מורכב בעיקר מספינות בריטיות, מאחר שהצי אמריקני היה מחויב באותה עת למלחמה באוקיינוס השקט נגד היפנים, שהצריכה כמות עצומה של כלי שיט. עם התרחבות תוכנית הפלישה, נאלץ צי ארצות הברית (למרות התנגדותו של מפקד הצי) להקצות ספינות נוספות למבצע נפטון.
הכנות ותכנונים.
ההכנות לפלישה נמשכו כשנתיים והיו כרוכות בהתארגנות לוגיסטית בהיקף עצום, שכללה בניית כלי שיט ומטוסים רבים. כמה חודשים אחרי כניסת ארצות הברית למלחמה החל מבצע בולרו – ריכוז ציוד וכוחות אמריקניים וקנדים אדירים בדרום אנגליה. עד תחילת יוני 1944 הגיעו לבריטניה שני מיליון אנשי צבא אמריקאים, ועוד רבע מיליון קנדים. הכוחות הפולשים עברו אימונים מפרכים בתנאים שדימו את גזרת הלחימה שלה יועדו. כל ההכנות האלה נעשו תוך שמירה קפדנית על ביטחון שדה והסתרת המועד והיעד של הפלישה מן הגרמנים.
במבצע אוברלורד היו כארבעה סוגים עיקריים של אוניות ונחתות להבאת חיילים וציוד אל החוף: ה־LST (Landing Ship Tank), אונייה להנחתת כלי רכב וחיילים, הייתה אונייה גדולה, בגודל סיירת קלה, שאורכה כ־100 מטר ויכולת הנשיאה שלה 4,000 טונות. ה־LCT (Landing craft tank), נחתת טנקים, הייתה כלי שיט שטוח תחתית, באורך כ־35 מטר, שיכול להוביל 4 עד 8 טנקים (בהתאם לדגם הנחתת) ולפרוק אותם על פני כבש המורד בעת ההגעה לחוף. ה־LSI (Landing Ship Infantry), אונייה להנחתת חיילים, הייתה אונייה הדומה למעבורת נוסעים, שיכלה לשאת מאות חיילים וציוד. ה־LCA (Landing Craft Assault), היו נחתות קטנות שהובילו מחלקת רובאים שירדו ממנה היישר לחוף בכבש מורד. הנפוצה מביניהן בנורמנדי הייתה ה־LCVP, נחתת שאורכה כ־11 מטרים ורוחבה 3.2 מטרים יכלה לשאת מחלקה בת 36 לוחמים, או ג'יפ וכיתה של 12 לוחמים. הן כונו "סירות היגינס", על שם מתכנן אנדרו היגינס, ובסך הכל נבנו יותר מ־20,000 כאלו עד סוף המלחמה.
בעיה עיקרית שניצבה בפני מתכנני אוברלורד הייתה הבאת ציוד ואספקה באופן יעיל לכוח הפולש, עד אשר ייכבש נמל בעל קיבולת מספקת. אחד הלקחים המרכזיים של הפשיטה בדייפ היה כי ערי נמל בצפון צרפת יהוו יעד מבוקש לנחיתת בעלות הברית ובשל כך יהיו ממוגנות היטב, מה שיגרום לאבדות רבות בכיבושן. מהנדסים של בעלות הברית הגו את הרעיון לפיו ייבנו שני נמלים מלאכותיים מחלקים מוכנים מראש, שחלקיהם ייגררו על פני תעלת למאנש אל חופי הפלישה. שם יוצבו וישמשו בסיס אליו יוכלו בעלות הברית לפרוק אספקה עד לתפיסת אחת מערי הנמל הגדולות. בנייתם של נמלים אלו, שקיבלו את שם הצופן מאלברי (עץ תות), הצריכה משאבים וכוח אדם רב – בנייתם בלעה 600,000 טונות של בטון והעסיקה 20,000 איש. נמל אחד הוצב בחוף אומהה והשני בסמוך לחוף גולד ליד העיירה ארומאנש.
כחלק מהלקחים מכישלון הפשיטה על דייפ, חיפשו הבריטים דרך להביא סיוע משוריין לרצועת החוף ומעבר לה, כדי להבקיע את ההגנות ולצלוח את שדות המוקשים של החומה האטלנטית. המשימה הוטלה על גנרל פרסי הוברט מהדיוויזיה המשוריינת ה־79, שיחד עם מתכננים בריטיים המציא מספר רב של כלים משוריינים ייעודיים, שנודעו בכינוי "שעשועי הוברט" בפי החיילים. אלה כללו בין היתר טנקים אמפיביים שכונו "DD" (ראשי תיבות של Duplex Drive – הנעה כפולה), טנקי מורג לפיצוץ מוקשים, טנקי להביור ועוד. ביום הפלישה עשו הבריטים שימוש מלא ומושכל בכלים אלה, שהוכיחו את יעילותם ומנעו אבדות כבדות. אולם האמריקנים הפגינו בהם עניין מועט – פרט לטנקים האמפיביים.
תרגילים לקראת הפלישה.
כחלק מההכנות לפלישה הוחלט לקיים תרגיל באש חיה בשם "טייגר" אשר דימה את הפלישה לחוף יוטה. במהלך התרגיל, אשר התקיים בעיירה סלפטון שבמחוז דבון, קרו שתי תקריות חריגות: ב־27 באפריל, הודעה על דחיית התרגיל בשעה לא הגיעה לכל הכוחות וכוחות הנחיתה נפגעו מאש ארטילרית ולאחריה נפגעו מאש מקלעים. בתקרית זו שהוצנעה נהרגו 450 חיילים שנקברו בקברי אחים. למחרת, נתקלו 8 נחתות של בעלות הברית (מהן רק אחת חמושה בטורפדו) וקורבטה בריטית ב־9 סירות טורפדו מהירות () גרמניות אשר פגעו ב־4 מהן בירי טורפדו כשמתוכן 2 טובעו, והוסיפו עוד 749 הרוגים. למרות האסונות, הופקו לקחים מהתרגיל שסייעו לכוחות הנוחתים ביום הפלישה, כגון נהלים לצמצום סיכוני הטביעה. תרגיל פביוס , אשר נערך ב־3 במאי 1944, דימה את מבצע "נפטון" (שהיה החלק הימי של מבצע "אוברלורד") קרוב ככל האפשר למציאות, מבלי לחצות את התעלה האנגלית
כוחות ופיקוד גרמנים.
בתאוריה מנה פיקוד מערב תחת פילדמרשל גרד רונדשטט מיליון וחצי אנשים, אף שלא הייתה לו שום שליטה על הלופטוואפה והקריגסמרין. ב־6 ביוני היו תחת פיקוד מערב, שהיה אחראי על צרפת וארצות השפלה, 59 דיוויזיות גרמניות, שמונה מהן בהולנד ובבלגיה. למעלה ממחצית המספר הזה היו דיוויזיות נייחות להגנת חופים (כלומר, דלות באמצעי תעבורה ממוכנים) או דיוויזיות אימונים, ורק עשר היו משוריינות; שלוש מהן נמצאו בדרום צרפת, ואחת בקרבת אנטוורפן. איכותן של יחידות צבא היבשה, שמנו 850,000 איש, הייתה מאוד לא אחידה. האבדות העצומות שספג הצבא הגרמני במהלך הלחימה בחזית המזרחית, ואובדן נגדים וקצינים מנוסים רבים, גרמו לירידה ממשית באיכות כוח האדם ביחידות קו החזית, כולל יחידות העילית. איכות החיילים ששירתו בדיוויזיות הרגלים הייתה יותר נמוכה, מפני שטובי המגויסים נשלחו ליחידות הוואפן אס אס, לצנחנים ולדיוויזיות הניידות (פאנצר ופאנצרגרנדיר). נוסף על כך, הנמיך הוורמאכט במידה ניכרת את רף הכושר הגופני, כדי להציב יותר חיילים בקו. משך ההחלמה מפציעות ומחלות קוצר, וכך גם תקופת הטירונות. הפיקוד הגרמני החל לגייס לשורותיו נערים בני 16 ומעלה, וגברים בגילאים 45–60, כדי להשלים את אבדותיו. בצבא שמנה 4,270,000 איש בדצמבר 1943, היו יותר מ־1.5 מיליון חיילים מעל גיל 34.
הצורך הנואש למלא את השורות אילץ את הוורמאכט לגייס חיילים מאלזס, לורן, ולוקסמבורג, וכן כאלה שהוגדרו כפולקסדויטשה – "גרמנים אתנים" מהבלקן ועד פולין. כמו כן, הועברו לצרפת ב־1943/1944 גדודי "אוסט" (מזרח), להחליף את החיילים הגרמנים באיוש הגנות החופים. אלו היו מגויסי כפייה ומתנדבים מהשטחים הכבושים של ברית המועצות בידי גרמניה. ביוני 1944 השתייך אחד מכל שישה רובאים גרמנים לגדוד "אוסט".