盟军共集结了多达288万人的部队。陆军共36个师，其中23个步兵师，10个装甲师，3个伞兵师，约153万人。海军投入作战的军舰约5300艘，其中战斗舰只包括13艘战列舰，47艘巡洋舰，134艘驱逐舰在内约1200艘，登陆舰艇4126艘，还有5000余艘运输船。空军作战飞机13700架，其中轰炸机5800架，战斗机4900架，运输机滑翔机3000架。
早在1941年9月，斯大林就向丘吉尔提出在欧洲开辟第二战场对德国实施战略夹击的要求，但当时美国尚未参战，英国根本无力组织这样大规模的战略登陆作战。对于苏联的建议，英国的回应只是派出小部队对欧洲大陆实施偷袭骚扰。
1942年6月，苏美和苏英发表联合公报，达成在欧洲开辟第二战场的充分谅解和共识，但英国在备忘录中对承担的义务作了一些保留。
1942年7月，英美伦敦会议，决定1942年秋在北非登陆，而把在欧洲开辟第二战场推迟到1943年上半年。但此时苏德战场形势非常严峻，德军已进至斯大林格勒，苏联强烈要求英美在欧洲发动登陆作战，以牵制德军减轻苏军压力。英国只好仓促派出由6018人组成的突击部队在法国第厄普登陆，结果遭到惨败，伤亡5810人，伤亡率高达96.5%。
1943年1月，英美卡萨布兰卡会议，通过上半年在西西里岛登陆的决定。把在欧洲大陆的登陆推迟到1943年8月。在这次会议上，英国借第厄普的失败，以大规模两栖登陆的复杂与危险必须谨慎从事为理由，坚持要求推迟对欧洲大陆的登陆。实际上英国一则想乘苏德相争坐收鱼翁之利，二则想借美国的力量恢复大英帝国战前在北非和南欧的传统势力。当然遭到美国的反对，作为妥协，英国同意成立英美特别计划参谋部，负责制订在欧洲的登陆计划。由英国陆军中将F·摩根担任参谋长。摩根上任后立即组建“考萨克”，“考萨克”就是同盟国欧洲远征军最高参谋部的英文缩写，主要成员有副参谋长美国陆军准将雷·巴克，陆、海、空军及所有与登陆有关的各军兵种代表，负责指挥对欧洲大陆偷袭骚扰作战的英国联合作战司令部司令蒙巴顿海军中将也是当然成员。
1943年5月，英美华盛顿会议，决定于1944年5月在欧洲大陆实施登陆，开辟第二战场。“考萨克”立即开始制定登陆计划，首先确定登陆地点，根据历次登陆作战的经验教训，登陆地点要具备以下三个条件：一要在从英国机场起飞的战斗机半径内，二航渡距离要尽可能短，三附近要有大港口。那么从荷兰符利辛根到法国瑟堡长达480km的海岸线上，以此条件衡量，有三处地区较为合适：康坦丁半岛、加莱和诺曼底。再进一步比较，康坦丁半岛地形狭窄，不便于展开大部队，最先被否决。加莱和诺曼底各有利弊，加莱的优点是距英国最近，仅33km，而且靠近德国本土；缺点是德军在此防御力量最强，守军是精锐部队，工事完备坚固，并且附近无大港口，也缺乏内陆交通线，不利于登陆后向纵深发展。诺曼底虽然距离英国较远，但优点一是德军防御较弱，二是地形开阔，可同时展开30个师，三是距法国北部最大港口瑟堡仅80km。几经权衡比较，“考萨克”选择了诺曼底，于1943年6月26日起制定具体计划，以“霸王”为作战方案的代号，以“海王”为相关海军行动的代号。初步计划以3个师在卡朗坦至卡昂之间32km宽的三个滩头登陆，即后来的“奥马哈”、“金”和“朱诺”滩头，同时空降2个旅。第二梯队为8个师，将在两周内占领瑟堡。整个计划中最大的难题是港口问题，也就是在占领瑟堡前，如何解决部队的后勤补给，要知道诺曼底在五六月间，多为大风大浪，光靠登陆滩头无法保证后勤供应——这似乎成为无法克服的困难。束手无策中，“考萨克”的海军代表英国海军少将约翰·休斯·哈莱特想起蒙巴顿在一次会议上的玩笑：既然没有天然港口，就造一个人工港。于是建议制造配件装配成人工港来解决问题。别无良策，他的设想获得批准。7月15日，摩根将“霸王”计划大纲呈交英美联合参谋长委员会。
1943年8月，英美魁北克会议批准“霸王”计划。
1943年11月，英美苏德黑兰会议确定于1944年5月发动“霸王”行动。
1943年12月，美国陆军上将艾森豪威尔被任命为欧洲同盟国远征军最高司令,于1944年1月2日抵达伦敦就任。艾森豪威尔阅读了摩根计划，认为突击正面太窄，在最初攻击中缺乏足够的突击力量，提出修改意见，把登陆正面扩大到80km，第一梯队由3个师增加到5个师，登陆滩头也从3个增加到5个(新增“犹他”，“剑”滩头)，空降兵从2个旅增加到3个师，这一意见得到最高司令部三军司令的支持。
1944年2月，英美联合参谋长委员会批准了“霸王”计划大纲和修改后的作战计划，但是随之对登陆舰艇的需求也增加了，为了确保拥有足够的登陆舰艇，英美联合参谋长委员会决定将登陆日期推迟到6月初，并且将原定同时在法国南部的登陆推迟到8月。
由于登陆日(代号D日)推迟到6月初，盟军统帅部开始确定具体的日期和时刻，这是一个复杂的协同问题，各军兵种根据自己的需要提出不同要求，陆军要求在高潮上陆，以减少部队暴露在海滩上的时间；海军要求在低潮时上陆，以便尽量减少登陆艇遭到障碍物的破坏；空军要求有月光，便于空降部队识别地面目标，最后经认真考虑，科学拟定符合各军种的方案，在高潮与低潮间登陆，由于五个滩头的潮汐不尽相同，所以规定五个不同的登陆时刻(代号H时)，D日则安排在满月的日子，空降时间为凌晨一时，符合上述条件的登陆日期，在1944年6月中只有两组连续三天的日子，6月5日至7日，6月18日至20日，最后选用第一组的第一天，即6月5日。
战役目的是横渡英吉利海峡，在法国北部夺取一个战略性登陆场，为开辟欧洲第二战场最终击败德国创造条件。战役企图是在诺曼底登陆，夺取登陆场，在登陆的第12天，把登陆场扩展到宽100km，纵深100km。计划在登陆场右翼空降2个美国伞兵师，切断德军从瑟堡出发的增援，并协同登陆部队夺取“犹他”滩头，在左翼空降1个英国伞兵师，夺取康恩运河的渡河点，然后首批8个加强营在5个滩头登陆，建立登陆场，在巩固和扩大登陆场后，后续部队上岸，右翼先攻占瑟堡，左翼向康恩河至圣罗一线发展，掩护右翼部队的攻击；第二阶段攻占冈城、贝叶、伊济尼、卡朗坦，第三阶段攻占布勒塔尼，向塞纳河推进，直取巴黎。
同盟国方面盟军最高司令一职原拟由经验丰富的英军将领来担任，但丘吉尔知道登陆后美军人数会大大超过英军，所以主动提议由美军将领来担任。罗斯福总统原打算让陆军参谋长马歇尔出任，后来考虑到更需要马歇尔在华盛顿统筹协调，就由马歇尔推荐时任盟军地中海战区司令的艾森豪威尔出任。
高司令部的其他成员有：副司令英国空军元帅特德，参谋长美国陆军中将史密斯，副参谋长英国陆军中将摩根，陆军司令英国陆军上将蒙哥马利，海军司令英国海军上将拉姆齐，空军司令英国空军上将马洛里。
陆军有4个集团军：英国第2集团军，司令为英国陆军中将邓普赛，辖5个军13个师，在左翼的“金”和“剑”滩头登陆。加拿大第1集团军，司令为英国陆军中将邓肯·格雷尼姆，辖1个军3个师，在“朱诺”滩头登陆。以上2个集团军作为左翼向卡昂进攻。美国第1集团军，司令为美国陆军中将布莱德利，辖5个军14个师，在“奥马哈”和“犹他”滩头登陆，作为右翼向圣洛、卡朗坦进攻，这是主攻方向。该3个集团军组成第21集团军群，由英国陆军上将蒙哥马利任司令。这是登陆第一梯队部队。美国第3集团军由美国陆军中将巴顿任司令，辖4个军9个师，直属最高司令部指挥，作为第二梯队，将从美第1集团军开辟的道路投入战斗，冲出科汤坦半岛，穿越布列塔尼半岛，迂回包抄在卡昂与英军激战的德军，彻底粉碎德军的抵抗，乘胜占领法国和比利时。
海军编为两个特混舰队：西部特混舰队，主要由美国海军军舰组成，共3艘战列舰，10艘巡洋舰，30艘驱逐舰，280艘其他军舰，1700多艘登陆舰艇，司令为美国海军少将柯克，在贝尔法斯特集结，由美国战术空军第9航空队提供空中掩护。下辖3个编队：U编队负责运送美军第4步兵师在“犹他”滩头登陆，O编队负责运送美军第1步兵师在“奥马哈”滩头登陆，B编队负责运送美军第29步兵师在“奥马哈”滩头登陆。
东部特混舰队，主要由英国军舰组成，共3艘战列舰，13艘巡洋舰，30艘驱逐舰，302艘其他军舰，2426艘登陆舰艇，司令为英国海军少将维安，在格里诺克集结，由英国战术空军第2航空队提供空中掩护。下辖4个编队：G编队负责运送英国第50步兵师在“金”滩头登陆，J编队负责运送加拿大第3步兵师在“朱诺”滩头登陆，S编队负责运送英国第3步兵师在“剑”滩头登陆，L编队负责运送第二梯队英国第7装甲师在“金”滩头登陆。
海军还以7艘战列舰，2艘浅水炮舰，24艘巡洋舰，74艘驱逐舰组成五个舰炮火力支援大队，为五个滩头提供舰炮火力支援。
空军除了美国第2航空队和英国第9航空队，艾森豪威尔还以辞职相要挟，从英美联合参谋长委员会手中获得了由英国空军上将哈里斯任司令的英国战略轰炸机部队和由美国空军少将杜利特尔任司令的美国驻英战略空军第8航空队的指挥权，这样最高司令部的空军兵力就有4个航空队。
空降部队为美国第82、101空降师和英国第6空降师。这是盟军在欧洲的所能集结的最大空降兵力。
为实施这一大规模的战役，盟军共集结了多达288万人的部队。陆军共36个师，其中23个步兵师，10个装甲师，3个伞兵师，约153万人。海军投入作战的军舰约5300艘，其中战斗舰只包括13艘战列舰，47艘巡洋舰，134艘驱逐舰在内约1200艘，登陆舰艇4126艘，还有5000余艘运输船。空军作战飞机13700架，其中轰炸机5800架，战斗机4900架，运输机滑翔机3000架。
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