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6月1日，第一批登陸部隊在英國南部的15個港口開始集結上船。原計劃是6月3日啓航，6月5日登陸。由於天氣惡劣，登陸被推遲了二十四小時。6月4日二十二時，航程最遠的在猶他海灘登陸的U編隊首先啓航，其他編隊隨後也按計劃陸續啓航。6月5日登陸編隊開始橫渡英吉利海峽，從15個港口出發的所有艦艇先在懷特島以南代號“Z區”的海域會合，然後分爲五個編隊沿五條被清掃乾淨水雷的安全航道向五個灘頭駛去，過了海峽中心線後，各編隊由一條航道改爲兩條分別供快速艦艇和慢速艦艇使用的航道，以保持編隊航行隊形。在航渡途中，盟軍出動大批反潛飛機和軍艦實施嚴密反潛警戒，還派出95架轟炸機和375架戰鬥機擔任空中掩護。由於盟軍準備充分，組織周密，整個航渡過程未遭任何損失。實際上，盟軍安全順利航渡的最主要原因是惡劣天氣幫了大忙，德軍的氣象人員沒能像盟軍斯塔格氣象小組那樣預報出6月6日的短暫好天氣，發佈了連續數日將會是暴風雨的天氣預報，使得德軍統帥部判斷盟軍不可能在這樣的天氣發起登陸，諾曼底地區德軍戒備狀態很低，甚至連一些例行的飛機艦艇的巡邏都被取消了，這就使德軍對盟軍登陸編隊的航渡毫無察覺。
6月6日凌晨二時三十分，龐大的登陸艦隊到達距法國海岸11海里的換乘區，士兵們從運輸船上沿繩網下到登陸艇，然後登陸艇編成艇波，劈波斬浪向登陸灘頭衝擊。上陸時間因各灘頭潮汐不同而各不相同，最早的是猶他灘頭六時三十分，最晚的是朱諾灘頭八時。
火力準備從6月5日午夜就開始了，第一批約1000架重轟炸機向德軍通訊樞紐、指揮中心、海岸炮兵陣地等目標投彈約5000噸。第二批約1600架中型轟炸機於6月6日五時向德軍防禦陣地投彈約4200噸。這兩次航空火力準備共出動飛機2775架次，投彈9276噸，在登陸正面平均每公里投彈約96噸。第三批爲戰鬥機主要以低空掃射直接掩護登陸艇搶灘。
五時三十分，由7艘戰列艦、24艘巡洋艦、74艘驅逐艦、2艘淺水炮艦組成艦炮火力支援艦隊，對80公里登陸正面實施了長達四十分鐘猛烈艦炮火力準備。而當登陸艇接近海岸時，艦炮火力開始延伸轉爲火力支援，直接火力準備接着由登陸艇中的火炮登陸艇和火箭炮登陸艇承擔，繼續向登陸灘頭射擊，掩護登陸艇搶灘上陸。整個火力準備過程，密集，猛烈，持久，基本上壓制住德軍火力，爲登陸部隊順利上陸創造了條件。
各灘頭戰鬥情況如下：
猶他海灘
猶他海灘是科湯坦半島東岸從奎內維爾以南到卡朗坦河口以北的一段長14.5公里的海灘，是一片坡度不大的沙坡，德軍在沙坡上設有幾道障礙物，沙坡後是一片幹沙灘，然後是90—180米寬的沙丘，德軍在沙丘上築起了混凝土堡壘，海灘後是寬1.5—3公里不等的沼澤，只有數條通路可以通行，美軍第101空降師要奪取的就是其中的四條。德軍在縱深部署了28個炮連，其中8個炮連是隱蔽在暗堡工事裏，共111門火炮，在111門火炮裏中最大口徑爲210mm。
在此登陸的是美軍第7軍第4師，師長是羅斯福總統的小兒子小羅斯福准將，運送該師的是由穆恩海軍少將指揮的U編隊。6月6日二時三十分到達換乘區，四時零五分開始換乘，士兵們沿繩網從運輸船爬到登陸艇上，當時海上風大浪急，登陸艇非常顛簸，但士兵們經過多次演練，換乘仍比較順利，總共編成了26個艇波，駛向海灘。爲保障對登陸部隊的不間斷火力支援，在第一艇波中編有8艘坦克登陸艇，共載有32輛水陸坦克。由於風浪太大，坦克登陸艇到達坦克預定下水處比計劃晚了半小時，如果仍按計劃讓速度較慢的水陸坦克下水，那麼到達海灘就會比計劃更晚，也就失去了及時提供火力支援的作用。所以在指揮艇上的指揮員決定讓坦克登陸艇繼續航行，直到距海岸僅1海里處才放坦克下水。五時零五分，德軍岸炮開始向盟軍的掃雷艦開火，五時二十五分，盟軍艦炮火力支援軍艦比計劃提前25分鐘開炮還擊，緊接着約300架B—26轟炸機飛來向德軍陣地投彈約1000噸，然後“噴火”式飛機趕來爲艦炮火力提供校射，並於六時十分起施放煙霧，掩護登陸艇搶灘。不料有1架施放煙霧的飛機被擊落，使得煙霧中出現一塊缺口，正好把“科裏”號驅逐艦暴露了出來，立即成爲德軍岸炮集中轟擊的目標，“科裏”號在進行規避時誤入未清掃水雷的海域，觸雷沉沒。
登陸艇由於受到一股強勁的東南方向潮汐的影響，使搶灘地點比預計登陸點南移約1800米，這個意外反而給盟軍帶來意想不到的好運：在預定登陸點有德軍一個團的兵力，還有兩個炮連可以用火力壓制海灘。實際登陸點德軍僅一個連，防守力量薄弱。羅斯福將軍當機立斷，下令將這裏作爲登陸點，還樹立起巨大指示牌標明登陸點。水下爆破組很快清理出通道。六時三十分，登陸兵上陸，八時三十分，第一梯隊先頭團突破德軍防線，向內陸發展，九時三十分，初步建立起團登陸場，十時，已上陸兩個團的兵力，基本肅清德軍在這一地區的守軍第709師，加上空降部隊已奪取了四條通路，保證了登陸部隊迅速推進。至日落時，第4師的三個團全部上陸，共上陸21328人，1742輛車，1695噸物資，建立了鞏固的正面寬4公里，縱深9公里的師登陸場，先頭部隊已到達卡朗坦至聖梅爾的公路，並與空降兵會合。D日全天，第4師陣亡僅197人，爲預計傷亡的10%，損失極小，是盟軍五個灘頭中最順利，損失最小的。
奧馬哈海灘
奧馬哈海灘同猶他海灘相比，簡直是天壤之別，是五個登陸灘頭中損失最慘重的，有“血腥的奧馬哈”之稱。正因爲如此，1994年紀念諾曼底登陸五十週年的會址就設在奧馬哈海灘上。
奧馬哈位於猶他海灘的東面，科湯坦半島南端維爾河口到貝辛港之間長6.4公里的海灘，海岸是三十多米高的懸崖陡坡，有四個被海水沖刷出的深谷，成爲通向內陸的天然出口，海灘上高低潮之間的落差約爲270米，海灘是硬質沙地，上面築有高聳的鵝卵石堤岸，後面是沙丘，草地，樹林，唯一通向內陸的道路沿途有三個小村子，村舍都是用厚石砌成，四周是一片田野，田間土埂上長滿了小樹，這就是諾曼底地區特有的樹籬地形，易守難攻。德軍充分利用有利的自然地形構築防禦工事，在低潮線到高潮線之間設置了三道障礙物，還混雜有大量水雷，在卵石堤岸上築有混凝土堡壘，在堡壘前有蛇腹形鐵絲網和地雷，四個出口都用地雷和鋼筋水泥障礙物封死。海岸上有16個堅固支撐點，配有機槍和反坦克炮，懸崖上還構築暗堡，內有威力極強的88mm火炮，炮火殺傷範圍可以覆蓋整個海灘，在霍克角懸崖上還有6門155mm海岸炮，對海上軍艦的活動構成極大威脅。
盟軍之所以選擇這裏登陸，是因爲從維爾河口到阿羅門奇之間正處在美軍猶他海灘和英軍海灘當中，位置非常重要，而這段32公里長的海岸只有這一段還勉強可以登陸，其餘地段都是懸崖絕壁根本無法登陸。此外盟軍認爲這裏的守軍是第716海防師的一個團，既無裝甲部隊，又無機動車輛，士兵又多是後備役，戰鬥力很差。實際上，3月中旬隆美爾爲加強諾曼底地區的防禦力量，從聖洛調來精銳的野戰部隊第352步兵師，該師的一個主力團就部署在奧馬哈，而盟軍情報機關直到登陸部隊出發後，才查明第352師的去向，爲時已晚。
在奧馬哈登陸的是美軍第5軍第1師和第29師的各一個團。由霍爾海軍少將指揮的O編隊負責運送。6月6日三時到達換乘區，當時海面上風力五級，浪高12米，有10艘登陸艇因風浪太大而翻沉，艇上所載300名士兵就在海面上掙扎。沒有翻沉的登陸艇上的士兵絕大多數人都暈了船，再加上海水打進艇內，士兵們又冷又溼，當到達海灘時，士兵們已經精疲力盡。
更糟糕的是盟軍在登陸前的火力準備中，最初爲達成戰術上的突然性，在預先航空火力準備時沒有對這一地區進行轟炸。6月6日五時五十分，由2艘戰列艦、4艘巡洋艦、12艘驅逐艦組成的艦炮火力支援艦隊實施四十分鐘的艦炮火力準備，可由於害怕霍克角德軍岸炮射擊，軍艦隻是在遠距離上進行射擊，準確率很低。六時由480架B—26轟炸機對德軍防禦陣地進行直接航空火力準備，投彈達1285噸，但當時雲層又低又厚，飛行員怕誤傷己方部隊，故意延遲30秒投彈，結果1285噸炸彈都落在5公里外。所以德軍的防禦工事和火力點大都完好無損，當盟軍的火力準備剛一結束，德軍的炮火就開始射擊了。
計劃伴隨登陸兵上陸提供及時火力支援的水陸坦克，在西段的32輛中有27輛在下水後的幾分鐘裏就因風浪太大而沉沒，餘下的5輛有2輛是駕駛員技術高超戰勝風浪駛上海灘的，另3輛要歸功於一位坦克登陸艇長的主動精神，他見第一輛坦克剛下水就在風浪中沉沒，立即命令關上艇首門，將餘下的3輛直接送上海灘。在東段指揮員見風浪太大，水陸坦克無法下水，就命令將坦克直接送上海灘，但這樣一來到達海灘的時間提前了，爲了等待配合作戰的裝甲車輛，坦克登陸艇不得不在海岸附近徘徊等待，德軍抓住機會猛烈炮擊，擊沉了2艘坦克登陸艇，直到六時四十五分，水陸坦克和裝甲車輛才駛上海灘，可剛上海灘，就被德軍炮火摧毀了好幾輛。接着第一波1500名士兵開始突擊上陸，因爲海中有一股向東的潮汐，以及岸上迷漫的硝煙，使得士兵難辨方向，隊形也變得混亂。上陸時士兵們要先趟水涉過1米多深，50—90米寬的淺水區，再要通過180—270米寬毫無遮掩的海灘，才能接近到堤岸，而且這一切都在德軍密集而猛烈的炮火下。所以在最初的半小時裏，這1500名士兵根本無法投入作戰，只是在淺水中，海灘上爲生存而苦苦掙扎。在第一批登陸的8個連中只有2個連登上預定海灘，但也被德軍的火力壓得擡不起頭。由工兵和海軍潛水員組成的水下爆破組，傷亡慘重，裝備丟失損壞嚴重，但仍克服困難冒着德軍炮火開始清除障礙物，在東段開闢出兩條通路，在西段開闢出四條通路，可惜在漲潮前來不及將通路標示出來，後續登陸艇一直找不到通路，擁塞在海灘上聽任德軍炮擊。
第二波於七時到達海灘，正逢漲潮，德軍炮火非常準確猛烈，完全將登陸部隊壓制在狹窄的灘頭。兩小時里美軍在西段沒有一個人衝上海灘，在東段也僅僅佔領9米寬的一段海灘。海面上擠滿了登陸艇，秩序異常混亂，海灘勤務主任只好下令只許人員上陸，車輛物資一律暫時不上陸。此時美軍第1集團軍司令布萊德利根據幾份零星的通信和軍艦瞭望哨的報告，知道登陸遇到極大困難，勝利幾乎不可能了，他打算放棄在奧馬哈的登陸，讓美軍第5軍後續部隊在猶他海灘或英軍的灘頭上陸。
然而就在這時，局勢發生了轉機，擔任艦炮火力支援的美國海軍見陸上的官兵死傷累累，岸上火力控制組和海軍聯絡組都沒有消息，意識到海灘上形式已極爲嚴峻，17艘驅逐艦充分發揮主動精神不顧擱淺、觸雷和遭炮擊的危險，駛到距海灘僅730米處，進行近距火力支援。海灘上有150名別動隊員艱難地爬上了霍克角，發現所謂的155mm海岸炮竟然是電線杆僞裝的，消除了海岸炮的威脅，美軍的驅逐艦大發神威，向海灘上德軍火力點逐一開火，強大的火力打得德軍毫無招架之力，只得掛白旗乞降。然後驅逐艦又向每一個新發現的目標射擊，並且只要見陸軍用曳光彈射擊，就把它當作是在指示目標，馬上進行轟擊。正是驅逐艦的積極援助，逐步壓制住德軍的火力，爲海灘上的美軍攻擊創造了條件。在灘頭上的美軍指揮官也努力激勵部下，如第29師副師長科塔准將在彈片橫飛的海灘上大聲說：“留在海灘只有兩種人，一種是已經死的人，另一種是即將要死的人。來啊！跟我衝！”第1師16團團長泰勒上校也鼓勵士兵：“呆在這兒只有死，要死也要衝出海灘！”在他們的帶領下，海灘上的美軍儘管傷亡慘重，但畢竟是久經戰陣的王牌之師，尤其是第1師，自第一次世界大戰起就立下赫赫戰功，在美軍中有“大紅一師”的美譽，組織殘餘部隊前仆後繼，連續爆破炸開封死的出口，終於衝過堤岸。佈雷德利聞訊後，感慨地說：“幸虧第1師在那！”
中午時分，第二梯隊三個團的生力軍提前上陸，在艦炮和坦克支援下，一步一步擴大登陸場，接着在“噴火”式飛機的校射指引下，美軍戰列艦和巡洋艦上的重炮也加入對岸射擊，更是炸得德軍鬼哭狼嚎，抱頭鼠竄。
天黑時，第1師和第29師終於殺開一條血路，佔領正面6.4公里，縱深2.4公里的登陸場，到夜間登陸場正面進一步擴大到8公里，上陸人員共3.5萬人。D日全天，美軍第5軍付出的代價也極爲慘重，光陣亡就達2500人。當夜，第5軍軍部上岸，開設前進指揮所。軍長羅傑少將向佈雷德利發出的第一封電報就是：“感謝上帝爲我們締造了美國海軍。”
金海灘
金海灘位於貝辛港以東，從拉里維埃到阿羅門奇共長5.2公里，這是一片低平的海灘，基本上是海拔10米左右的沙質陡坡，德軍在此設置的障礙物多達2500個，幾乎達到每0.5米就有一個的密度，還構築了很多堅固支撐點，部署的火力可以縱向覆蓋整個海灘，但是支撐點的分佈很不合理均衡。大部分集中在拉里維埃、勒阿米爾、阿羅門奇三處，其他地方很少。
在金海灘登陸的第一梯隊是英國第30軍的第50師，加強有第79特種裝甲師的一個坦克旅。第二梯隊是英國第7裝甲師，這是盟軍在D日登陸的唯一一個裝甲師，該師參加過北非戰役並打敗了隆美爾的“非洲軍團”，是盟軍裝甲部隊中的王牌。負責運送登陸部隊的是由英國道格拉斯·彭南特海軍准將指揮的G編隊。
6月6日四時五十五分，編隊到達換乘區。由於金海灘的卡爾瓦多斯礁脈在低潮時是露出水面的，所以登陸時間必須在漲潮後的六十分鐘，這樣登陸時間就定爲七時二十五分，也就使英軍的火力準備時間比較充足，艦炮火力準備長達一百分鐘，持續而猛烈的炮擊收到了很大效果，德軍幾個主要的支撐點都被摧毀。由於風浪太大，登陸指揮員臨時決定水陸坦克不下水，由坦克登陸艇直接送上灘頭，這就避免了像美軍那樣的損失。再加上德軍支撐點的火力只能縱向射擊海灘，無法向海上目標射擊，就使得英軍登陸部隊搶灘衝擊時沒有遭到炮火射擊，衝上海灘進入德軍炮火射界後又得到水陸坦克和特種坦克的有力支援，很順利地控制了登陸場。尤其是特種坦克發揮了巨大作用，迅速清除了德軍設置的大量障礙物，爲步兵的推進創造了極爲有利的條件。英軍的推進非常順利，一直到勒阿米爾村才遭到較猛烈的抵抗，步兵被德軍縱深火力所阻遏推進受阻。這時候英軍三輛用於充當開路先鋒的“巨蟹”掃雷坦克，在登陸後的戰鬥中一輛被毀，一輛陷入沼澤，僅剩的一輛開上來一直突入村內將德軍火力打啞，爲步兵掃清障礙。在其他地方，一切就像演習那樣非常順利。到十一時，第二梯隊第7裝甲師開始上陸，海灘上已由特種坦克開闢出七條通路，所以英軍的推進順暢無阻。十二時三十分，第50師集中主力兩個旅的兵力並肩向內陸進攻，於當晚二十一時佔領阿羅門奇，與在朱諾海灘登陸的加拿大軍隊會合，將兩個灘頭連成一片。
位於美、英兩軍登陸結合部的貝辛港，是個僅有兩條防波堤的小港，但對於登陸初期還沒有任何港口的盟軍而言，卻是非常寶貴的。攻佔貝辛港的任務由在金灘登陸的英國海軍陸戰隊第47登陸襲擊隊來完成。該部於6日九時三十分在貝辛港以東14.5公里處上陸，由於在登陸時損失了所有通訊設備，與主力失去了聯繫，也就得不到兵力火力上的支援，面對德軍的猛烈抵抗，陷入孤立無援的困境，在海岸附近受阻達八小時，直到傍晚時分纔到達貝辛港，因敵情不明未敢輕易發起攻擊，只好在德軍火力下潛伏過夜。7日拂曉，試圖聯絡奧馬哈的美軍也未成功，最後利用了繳獲的德軍通訊裝備才與主力聯繫上，這纔在海、空火力的支援下於6月7日攻佔貝辛港。
至此英軍第50師完成了預定任務，佔領了縱深約8公里的師登陸場，當天上陸約3.5萬人，傷亡約1500人。
朱諾海灘
朱諾海灘位於金海灘以東7公里處的塞爾河河口兩側，海灘後是一片沙丘。德軍在這一帶修築了許多混凝土堡壘和堅固支撐點，但海灘上障礙物相對比較少，火炮也僅配置了4門99mm海岸炮，守軍是第716海防師的一個團，該團士兵大多是俄羅斯人和波蘭人，士氣低落，戰鬥力差。
在朱諾海灘登陸的是加拿大第1軍第3步兵師，加強有第79裝甲師的一個特種坦克旅，由英國海軍J編隊負責運送。
6月6日四時三十分，編隊按時到達換乘區，由於航行中天氣惡劣，加上導航錯誤，使登陸時間比預定時間推遲了二十分鐘，這就意味着登陸將錯過合適的潮汐，不得不在漲起的潮水中進行，登陸艇被迫在被潮水淹沒的障礙物之間卸下人員、車輛和物資，慶幸的是在登陸時損失並不大，但登陸艇在卸載完成後返航時有很多被佈設在障礙物中水雷炸沉，其中運送一個營的24艘登陸艇被炸沉20艘，損失率高達83%。因爲在航空火力和艦炮火力準備時天氣惡劣，所以對德軍防禦工事破壞不大，因此當加軍步兵上陸後，一度遭到德軍的壓制。還好盟軍艦炮火力召喚支援非常及時準確，加上水陸坦克的積極配合，終於突破了德軍防線取得了進展。只是運送工兵的登陸艇很晚纔到，排除水下障礙物的工作直到高潮過後纔開始，這樣使得海灘上通路很少，導致大量車輛擁擠在海灘上，後來在特種坦克支援下打通了12條通路，這才迅速疏通了海灘，保障了後續部隊的上陸和推進。在朱諾海灘傷亡最大的單位是英國海軍陸戰隊第48登陸襲擊隊，他們的任務是打通與東側劍海灘英軍的聯繫。由於他們所搭乘的登陸艇是木殼的，撞在障礙物上損壞嚴重，隊員們只好在深水區就跳下登陸艇游水上岸，結果有很多隊員因所攜裝備太重而溺水身亡，好不容易上了岸又正處在德軍機槍火力下，傷亡慘重，最後藉助坦克支援下才在海灘東側取得立足點。傍晚時分，加軍先頭部隊已推進到內陸11公里處，甚至有些裝甲部隊已到達貝葉至岡城公路，只是沒有步兵伴隨掩護又退了回來。
當日日終，加軍已推進到距岡城5公里處，並與英軍的金海灘連成一片，使兩個登陸場合二爲一，形成正面19公里，縱深10公里的大登陸場。D日全天，加軍從朱諾海灘上陸約2萬人，傷亡約2000人。
劍海灘
劍海灘是盟軍五個登陸灘頭中最東端的，位於奧恩河和卡昂運河入海口的兩側，由於海底礁石連綿，可供登陸的地區很狹窄，所以登陸正面僅4.8公里，只能展開一個旅的兵力。
德軍在這一地區構築了混凝土堡壘，配置有包括406mm重炮在內的海岸炮部隊。防禦力量還比較強。
由於登陸正面太過狹窄，在此登陸的英軍第1軍第3步兵師的第一梯隊僅一個旅。運送第3師的是英國塔爾博特海軍少將指揮的S編隊。爲保證登陸編隊航行不出偏差，英軍還特地派X—23號袖珍潛艇在此足足潛伏了兩天兩夜，在登陸時上浮作航向引導。
6月6日四時三十分，S編隊到達換乘區，五時三十分，德軍從勒阿弗爾出動了4艘魚雷艇攻擊了S編隊，擊沉了挪威驅逐艦“斯文內爾”號。
七時三十分，第一梯隊旅開始上陸，由於航空火力和艦炮火力準備十分有效，加上第一梯隊中的40輛水陸坦克有32輛順利上陸，爲登陸部隊提供了有力的火力支援，使登陸部隊進展十分順利迅速，幾乎沒遇到多少頑強抵抗。十時第二梯隊旅上陸，十三時師的預備隊旅上陸。除了最初的輕微傷亡外，一切都順利的出乎意料，反倒使預料將在海灘上浴血奮戰的士兵不知所措，他們沒有乘勝前進，停下來挖壕固守。只有第1特種勤務旅繼續推進，很快佔領了考勒維爾，並在十三時三十分到達奧恩河與英國第6空降師會合。十五時五十分，S編隊司令塔爾博特少將上岸視察，發現海灘上人員和車輛秩序混亂，隨即命令派出海灘控制組上岸整頓海灘秩序。
D日晚二十一時，第3師已推進到內陸6.4公里，並奪取了貝諾維爾附近的奧恩河上的橋樑，與第6空降師會師。而編入第3師的171名自由法國士兵成爲第一批解放自己祖國的法軍，當他們坐在坦克上用純正法語向路邊的居民問好時，讓在德軍佔領下飽受數年苦難的人們大爲驚喜，法軍登陸的消息立即不脛而走，從而在沿途都受到了極爲熱烈的歡迎，其熱情程度甚至影響了部隊的推進。
從D日的整體情況來看，盟軍在五個海灘都取得了成功，共上陸人員132715人，車輛1.1萬輛，物資1.2萬噸，而且傷亡情況大大低於預計，僅10300人。海軍在登陸當天，因德軍的海岸炮和水雷，共損失驅逐艦4艘，護衛艦、炮艦、掃雷艦各1艘。
然而形勢並不樂觀，盟軍沒有完成當日任務，沒有佔領預定佔領的地區，尤其是沒佔領卡昂和貝葉，而且在五個灘頭中，只有金海灘和朱諾海灘連成一片，其餘灘頭之間都存在不小空隙，特別是美、英兩軍之間還有達12公里的大空隙。要知道只有頂住了德軍隨後的反擊，並將五個灘頭連成一片，擴展成統一的登陸場後，纔可以談得上勝利！
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