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當盟軍登陸灘頭成爲鞏固統一的登陸場後，就按預定計劃向內陸發展，美軍第1集團軍奪取瑟堡，擔負主攻；英軍第2集團軍猛攻卡昂，造成直取巴黎的假象作爲佯攻。
德軍雖然最初的反擊已告失利，但並不甘心就這樣任由盟軍發展，隆美爾調整部署，使用步兵防守卡昂至科蒙一線，抽出裝甲部隊以反擊手段來阻止美軍的進攻。但還沒等新的部署調整好，英軍就先發制人發動了攻勢，打亂了德軍的計劃，有力保障美軍對瑟堡的攻擊。
6月13日，英第7裝甲師在向卡昂西南的維萊博日推進途中，與正從亞眠趕來的德軍黨衛軍第2裝甲師遭遇，雙方隨即爆發激戰，英軍人員、坦克損失很大，被迫後撤。雖然英軍的進攻沒有進展，但卻將德軍精銳的第2裝甲師吸引在卡昂地區，爲美軍進攻創造了條件。當美軍佔領卡朗坦後，德軍從卡昂地區無法抽出部隊，只好從布列塔尼半島緊急調來黨衛軍第17裝甲師，攻擊美軍側面以消除美軍對瑟堡的威脅，美軍經激烈戰鬥，擊退了德軍，並乘勝於6月14日突破德軍在聖索沃地區的防線，最終於6月16日攻佔了聖索沃。根據希特勒的指示，在該地區的4個師必須全力阻滯美軍的前進，然後向瑟堡且戰且退，死守瑟堡。隆美爾清楚地知道，這4個師幾天來在戰鬥中兵力裝備消耗很大，已無力勝任堅守瑟堡的重任，即使退入瑟堡，充其量不過使瑟堡多堅持幾天而已。所以他向希特勒請求將這些部隊直接撤往塞納河，加強塞納河的防禦。但希特勒拒絕了他意見。當聖索沃地區出現被突破的徵兆時，隆美爾不顧希特勒的指示，果斷命令所有能聯絡上的部隊迅速向南撤退，這才挽救了不少部隊。
6月18日，美軍攻佔了科湯坦半島中部的巴內維爾。
6月19日，美軍出色發揮機動性強的優勢，掉頭直取蒙特堡，將科湯坦半島攔腰切斷。
同一天英吉利海峽風暴突起，風力達8級，浪高1.8米，給盟軍帶來很大損失。在美軍地段的桑樹A人工港，浮動碼頭解體，沉箱斷裂，十字形鋼製件相互碰撞而嚴重受損。在英軍地段的桑樹B人工港，由於受到海底礁石的保護作用，損失較小，只有4個沉箱被毀。在登陸灘頭，盟軍共有7艘坦克登陸艦，1艘大型人員登陸艦，1艘油船，3艘駁船，7艘拖網漁船，67艘登陸艇被大風颳沉，1艘巡洋艦和1艘渡船因相互碰撞而損壞，還有一些艦船因洶涌的風浪引爆了德軍佈設的水壓水雷而被炸傷。狂風暴雨還將近800艘艦艇拋上陸地，迫使盟軍的卸載中止了整整五天，使2萬輛車輛，10萬噸物資無法按計劃上陸。風暴造成的物質損失大大超過了十三天作戰中的損失，並迫使盟軍的後勤補給出現嚴重困難。如果德軍能抓住這一千載難逢的戰機，進行反擊，戰局極有可能改寫。可惜當時德軍兵力僅僅能勉強進行防禦。德軍雖從匈牙利調來剛從蘇聯戰場撤下來整編的黨衛軍第9、第10裝甲師，該兩師由於法國境內的鐵路遭到嚴重破壞，部隊集結機動都很困難，無法及時到達，錯失了這一絕好時機。
6月20日，美軍有3個師推進到距瑟堡僅8公里處。瑟堡位於科湯坦半島北部，是法國北部最大港口。德軍築有混凝土野戰工事，還利用河流和水渠設置反坦克障礙，在城郊部署有20個設在暗堡裏的炮連，其中15個是口徑150mm重炮，這些火炮既可向海上目標射擊，又可控制內陸道路。只是兵力不足，因爲前一時期的戰鬥已消耗了大量有生力量，城防司令施利本將軍把勤雜人員編入戰鬥部隊，才勉強湊起4個團的兵力。
6月21日，美軍爲保全港口設施，以廣播敦促守軍投降，遭到德軍拒絕。於是美軍決定對瑟堡實施強攻。
6月22日，盟國空軍進行攻擊前的航空火力準備，出動500架次飛機對瑟堡實施密集轟炸，投彈1100噸。隨後美軍3個師從南面發起猛攻，德軍殊死抵抗。激戰到6月24日，施利本已耗盡了所有預備隊，他致電柏林要求空投鐵十字勳章，授予有功人員以激勵士氣，仍準備死守到底。爲儘快攻下瑟堡，美軍迫切需要海軍提供艦炮火力支援，可惡劣天氣使得艦炮火力支援直到6月25日纔開始。海軍派出3艘戰列艦，4艘巡洋艦，11艘驅逐艦組成艦炮支援編隊支援地面部隊，美第7軍軍長柯林斯中將爲避免艦炮誤傷己方部隊，要求軍艦除提供召喚射擊外，只能對射擊軍艦的德軍炮火還擊，取消了其他一切遠距離艦炮射擊。海軍軍艦進行了長達七小時的艦炮射擊，極其有效壓制了德軍炮兵火力。在強大的海空軍火力支援下，美軍第7軍於6月25日黃昏衝入了瑟堡市區。次日，施利本和港口海軍司令亨尼克少將一起宣佈投降，但個別同主力失去聯絡的據點仍負隅頑抗，美軍使用坦克和轟炸機協同攻擊，將德軍殘部逐步壓縮到瑟堡最西北端。7月1日最後據點裏德軍被迫投降。至此，美軍佔領整個科湯坦半島，在奪取瑟堡和科湯坦半島的戰鬥中，美軍傷亡達2.5萬人，德軍傷亡被俘約3.6萬人。
瑟堡雖被佔領，卻已是一片廢墟。早在6月7日，也就是盟軍登陸的第二天，德軍就預料到盟軍必將奪取瑟堡，立即開始有計劃毀掉瑟堡，碼頭、防波堤、起重機等港口設備都被一一炸燬，港口水域裏遍佈水雷，還用沉船堵塞航道。美軍的一位工兵專家看了瑟堡的毀壞情況，認爲是“歷史上最周密、最徹底的破壞。”盟軍一佔領瑟堡就派出大批工兵、打撈分隊、掃雷艦艇進行清除工作，足足花了三個星期，掃除133枚水雷，打撈起20艘沉船，這才恢復了瑟堡港口的吞吐能力。7月16日，盟軍從瑟堡卸下第一艘運輸船物資。7月底，瑟堡日卸貨量已達8500噸。到9月日卸貨量又上升到1.7萬噸。再經三個月的努力，使瑟堡的卸載能力僅次於馬賽，成爲盟軍在歐洲的第二大港。截至1944年底，共有2137艘運輸船進入瑟堡，總卸貨量達282.6萬噸。爲反法西斯戰爭的勝利作出巨大貢獻。
就在美軍攻佔瑟堡的同時，蒙哥馬利指揮英軍第2集團軍，於6月26日以4個師的兵力發起代號爲“埃普索姆賽馬場”的作戰，猛攻卡昂。於當天中午攻佔舍克斯，並繼續向前推進，但在左右兩翼都受到德軍黨衛軍第12裝甲師的堅決反擊，前進非常艱難。6月27日，英軍經一番苦戰，擊退德軍的反擊，佔領勞良，先頭部隊第11裝甲師控制了奧登河上的橋樑。6月28日，英軍主力渡過奧登河，建立起正面寬3650米，縱深900米的橋頭陣地。6月29日，德軍集中5個裝甲師發起反擊，盟軍的空軍乘着天氣晴朗的有利條件大舉出動，對德軍裝甲部隊實施了極其猛烈的轟炸，瓦解了德軍的攻勢。英軍第11裝甲師乘機佔領卡昂西南的戰略要地112高地。德軍深知112高地的重要價值，隨即組織多次反撲，但均未得手。6月30日，德軍集中所有炮火，全力炮擊112高地，在猛烈炮擊下，英軍難以堅守，只好放棄112高地撤到奧登河岸邊。德軍雖奪回了112高地。但一直在盟國空軍的猛烈打擊下，無法集中使用裝甲部隊，也就發揮不出裝甲部隊巨大的突擊威力，一般只能使用200名步兵和15—20輛坦克組成小型戰鬥羣進行短促出擊，難以取得勝利，加上幾天來坦克損失約100輛，又得不到補充，隆美爾爲確保卡昂，只好放棄外圍一些陣地，將全部900輛坦克中的700輛部署於卡昂近郊。盟軍在佔領卡盧克機場後，再無力推進，雙方陷入對峙。
6月29日，隆美爾和龍德施泰特晉見希特勒，彙報了當前的戰局。希特勒對此大爲不滿，調整了德軍西線高層指揮人事，以克盧格元帥取代龍德施泰特任西線總司令，埃伯巴赫取代馮·施韋彭格指揮西線裝甲部隊，並將所部改稱第5坦克集團軍，以黨衛軍上將豪瑟接替剛剛病故的多爾曼上將任第7集團軍司令。
7月1日，盟軍宣佈“霸王”登陸作戰中的海軍作戰即“海王”作戰勝利結束。隨即撤銷東、西特混艦隊的番號，所屬艦艇一部分被調往地中海和太平洋。盟軍又在諾曼地新設立兩個海軍基地司令部，一個在瑟堡，一個在朱諾海灘的人工港，具體負責指揮調度人員、物資的運輸和卸載。
到七月初，盟軍已上陸25個師，其中13個美國師，11個英國師，1個加拿大師，共100萬人，56.7萬噸物資，17.2萬部車輛。盟軍仍覺得登陸灘頭太狹窄，便繼續擴大登陸場。美軍爲保障日後能展開大規模的裝甲部隊，取得有利的進攻出發陣地，美軍第1集團軍在攻佔瑟堡後馬不停蹄立即揮師南下。
7月3日，盟軍集中14個師的兵力，向登陸場正面德軍約7個師發動猛攻。因前進的道路上是大片沼澤和諾曼底地區特有的樹籬地形，易守難攻，加上天氣不佳空軍也無法出動，所以進展緩慢，在五天裏才前進6.4公里，而傷亡高達5000人。接下來足足經七天的浴血奮戰，又付出5000人的傷亡才推進4.8公里。傷亡如此之大，主要是前進的道路兩側都是沼澤，只能展開1個師的兵力，在遍佈地雷、障礙物的道路上粉碎德軍的頑抗步步推進。
7月6日，直屬盟軍最高司令部指揮的具有極強機動力和突擊力的美軍第3集團軍，在驍勇善戰的巴頓率領下，踏上歐洲大陸。
7月9日，德軍黨衛軍裝甲教導師被調到維爾河地區，抗擊美軍的攻勢，儘管該師全力奮戰，仍阻止不了美軍的推進。
7月11日，西線美軍向諾曼底地區重要的交通樞紐聖洛發動鉗形攻擊，但德軍依託預先構築的工事拼死抵抗，美軍的攻擊未能如願。於是美軍停止攻擊，整頓部隊，補充彈藥，準備第二輪進攻。而德軍人員、裝備、彈藥所剩無幾，又得不到補充，已是山窮水盡。在美軍隨後發起的第二輪進攻中終於不支，聖洛於7月18日被美軍攻佔。在聖洛戰鬥中德軍在諾曼底地區重要的前線指揮第84軍軍長馬克斯中將陣亡。美軍爲奪取聖洛也付出了近4萬人傷亡的高昂代價。隨着聖洛的失守，德軍在諾曼底地區防線被盟軍分割爲兩段，局面更爲被動不利。
與此同時，東線的英軍對卡昂發動第二輪攻勢。7月7日，盟軍出動460架次重轟炸機，對德軍陣地進行密集轟炸，在四十分鐘裏投彈達2500噸。7月8日，英軍2個師和加軍1個師在海軍艦炮火力支援下，向卡昂實施向心突擊。不料空軍的猛烈轟炸雖給德軍造成了慘重傷亡，卻也造成了遍地瓦礫廢墟，其損壞程度甚至嚴重影響了己方地面部隊的推進，因此英軍於7月10日才佔領卡昂。
在隨後的一週裏，盟軍一邊補充兵力物資，一邊不斷向正面德軍施加壓力，使其無法重新調整部署。
7月18日，爲進一步將登陸場擴大到奧恩河至迪沃河之間，英軍繼續由卡昂向東南推進，爲配合英軍的進攻，盟國空軍實施了更猛烈的航空火力準備，共出動1700架次重轟炸機和400架次中轟炸機，投彈達1.2萬噸，並吸取對卡昂轟炸的教訓，炸彈都改用瞬發引信，以減少對道路的破壞。德軍也改變戰術，採取縱深梯次防禦，大量使用88mm高射炮平射坦克，並在有利地形不斷組織反衝擊，使英軍傷亡很大，坦克損失達150輛，進攻被迫停止。
儘管英軍的進攻沒有取得進展，但在整個戰場上，盟軍已到達岡城——考蒙——聖洛——萊索一線，形成正面寬150公里，縱深15—35公里的登陸場，建立並鞏固了戰略性質的橋頭堡，完成了大規模地面總攻的準備，奪得了供大規模裝甲部隊展開的進攻出發陣地，爲收復西歐奠定了堅實的基礎。至此，諾曼底登陸戰役勝利結束。
此役，盟軍共傷亡12.2萬人，其中美軍7.3萬人。海軍損失1艘戰列艦，3艘巡洋艦，8艘驅逐艦，3艘護衛艦和48艘其他艦船。德軍傷亡7.3萬人，被俘4.1萬人，共損失11.4萬人。
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