Na konci listopadu 1943 se Roosevelt, Churchill a Stalin setkali na konferenci v Teheránu, aby zde projednali společný postup, přičemž bylo dohodnuto, že spojenecká invaze do Francie bude uskutečněna v nadcházejícím roce. Hitler hodlal tomuto nebezpečí předejít budováním silně opevněného systému pobřežních pevností zvaných Atlantický val. Operace Overlord, jak zněl krycí název vylodění v Normandii, začala 6. června 1944 (den D), kdy zhruba 6500 spojeneckých plavidel vysadilo na plážích Normandie dvě americké, dvě britské a jednu kanadskou divizi.[21] Ty byly podporovány třemi výsadkovými divizemi, zajišťujícími v německém týlu křídla vyloďujících se jednotek, a téměř 12 000 letadly. Navzdory houževnaté obraně se Němcům nepodařilo zatlačit útočníky do moře a Spojenci, jejichž vrchním velitelem byl generál Eisenhower, dokázali postupně rozšířit svoje předmostí.
Do konce června dopravili Spojenci do Normandie kolem 850 000 vojáků a vyčistili poloostrov Cotentin s přístavem Cherbourg. Zároveň podnikali útoky na Caen, které bylo po tuhých bojích dobyto Brity a Kanaďany v průběhu července. Koncem téhož měsíce zahájili Američané operaci Cobra, jež vedla k prolomení německé linie na počátku srpna. Hitler se pokusil provést protiútok, jímž by odřízl divize generála Pattona pronikající do Bretaně a k Loiře. Jeho tanky však byly snadno odraženy. Kolem německých pancéřových sil na západě se navíc začala u Falaise nebezpečně stahovat smyčka hrozící jejich obklíčením. Westheer jen stěží vyvázl z této pohromy a v značně pošramoceném stavu se stáhl za Seinu. Vítězní Spojenci poté za úzké součinnosti s francouzským hnutím odporu osvobodili 25. srpna Paříž. Už o deset dnů dříve uskutečnili Američané a svobodní Francouzi operaci Dragoon, když se vylodili v jižní Francii, odkud rychle postoupili údolím řeky Rhôny na sever. Do poloviny září se setkali u Dijonu se spojeneckými jednotkami razícími si cestu z Normandie. Skupina německých generálů, vědoma si bezvýchodnosti německého postavení, provedla 20. července atentát na Hitlera. Akce skončila neúspěchem, načež byli spiklenci popraveni.
Po překročení Seiny pronikli Spojenci do Belgie a k německým hranicím. Britové vstoupili v prvním zářijovém týdnu do Bruselu a osvobodili také Antverpy. Ústí Šeldy, bez něhož byl zdejší přístav bezcenný, setrvalo v rukou Němců až do listopadu. Řadu jiných přístavů na pobřeží Lamanšského průlivu a Atlantiku držely v souladu s Hitlerovými rozkazy německé posádky, které tím výrazně narušily již tak komplikované zásobování Spojenců. Němci mezitím konsolidovali svoje pozice na Západním valu, pročež Montgomery získal podporu pro operaci Market Garden, v rámci níž měli Spojenci rychle překonat Rýn a vpadnout do Německa. 17. září byli britští a američtí parašutisté vysazeni u mostů přes Rýn v Nizozemsku. Souběžně vyrazily z Belgie britské tanky, jež měly výsadkáře vyprostit. Posledního z těchto mostů, jenž se nacházel v Arnhemu, se ale Spojenci zmocnit nedokázali. Úspěšnou obranou Nizozemska si Němci zajistili čas k rekonstrukci svých poničených divizí, neboť kvůli přetrvávajícím zásobovacím obtížím Spojenců se situace na západní frontě na podzim 1944 stabilizovala.