Während der Operation Overlord Anfang Juni 1944 führte er die 1. US-Armee, die an den Stränden mit den Codenamen Utah und Omaha eingesetzt wurden. Die Armee nahm in der Folgezeit unter anderem Cherbourg ein. Im Juli plante Bradley die Operation Cobra, einen US-amerikanischen Ausbruchsversuch aus dem Brückenkopf Normandie, der auch zum größten Teil gelang. Am 26. Juli gelang ihm dadurch bei Saint-Lô der entscheidende Durchbruch, der es den Truppen der 3. US-Armee und anderen alliierten Truppen erlaubte, fast zwei deutsche Armeen im sogenannten Kessel von Falaise einzuschließen. Anfang August übernahm Bradley die Führung der 12. US-Heeresgruppe in Nord-Frankreich, die mit 21 Divisionen und insgesamt 900.000 Soldaten die größte Truppenansammlung war, die je von einem US-General befehligt wurde.