1943年初，當北非戰局尚未見分曉時，英美開闢歐洲第二戰場的計畫就已經進行。同年1月，「卡薩布蘭卡會議」決定在倫敦成立聯合機構，美國的巴克准將和英國的摩根中將共同負責計畫的制定。同年5月，英美「華盛頓會議」確定了實施日期為1944年5月1日，代號為「霸王」。同年8月，經「魁北克會議」批准，規定美、英軍隊在法國諾曼底登陸，然後向德國心臟地區進攻，同時在法國南部的地中海實施代號為「鐵砧」的登陸行動，以策應諾曼底方面作戰。1943年12月1日，美、蘇、英三國首腦在「德黑蘭會議」上通過決議，確認「霸王」將在1944年5月實施，美國的艾森豪威爾將軍被任命為歐洲盟軍最高司令，負責指揮「霸王」行動。
在摩根擬定的初步計畫中，有兩點被後來確定的方案所採納：1.確定了諾曼底為登陸地點；2.確立和說明登陸所必需的兵力。理由是德軍在西歐控制的海岸線全長約3000英里，能得到英國本土空軍基地掩護的地段卻只有從弗魯辛到瑟堡490公里不到。另外，所選登陸點附近必須有良好的港口，以便後續人員和物資迅速跟上。同時海灘需平坦開闊，便於先頭部隊最初的作戰和橋頭堡的建立。符合這些條件的只有兩處：加萊海峽從敦刻爾克到索穆河口之間的地段；西諾曼底從康尼到柯騰丁半島之間的地段。
加萊地區離英國本土最近，海上運輸時間最短，盟軍登陸時又能得到有效的空中支援，所以是德國的重點設防區域，西歐德軍的陸、空軍主力都集中於此，盟軍登陸時，將遭到地面強烈抵抗。在諾曼底登陸的優點是：德軍守備較弱，德軍戰鬥機因受航程限制難以到達，海灘地形有利於登陸作戰；但對盟軍的不利因素是：海上運輸距離較遠，空中掩護困難大些，攻佔瑟堡港的時間可能較長。
地點問題解決了，接下來是登陸第一天使用多少兵力。摩根認為，因船隻太缺乏，第一批上岸部隊只能是1個軍（3個師），其餘部隊只能以後幾天陸續在原地上岸。這還需風力、氣候、海潮、雲層、能見度等其他條件的配合，還必須把德軍的增援速度考慮進去，即在D日（登陸作戰發起第一天），康尼地區德軍不得多於3個師，在D＋2日，不得多於5個師，在D＋8日，不得多於9個師。
蒙哥馬利認為摩根計畫在後勤和戰術兩方面將受到極大限制，他力主採取寬正面進攻，不僅英美兩個集團軍應同時登陸，每個集團軍應同時把2個軍，甚至3個軍一起送上岸去。為防止引起混亂，蒙哥馬利主張每個軍應有自己的指定專用灘頭，其他的軍不得再來使用。為配合登陸作戰，他建議登陸前，先在德軍海岸第一線部隊背後空投下2～3個師，達到牽制的目的，接著5個師同時在5個灘頭登陸。攻擊的正面也應從40公里加寬至80公里。登陸兵力增加40％，空降兵力增加200％。要達到這種規模的登陸，原來的船隻遠不夠用，還需要四處籌集。原計畫需要登陸艇3323艘、軍艦467艘、掃雷艇150艘，現在要增加一倍的掃雷艇、軍艦240艘、登陸艇1000艘。這樣一來，原定5月實施登陸的日期，只得向後延期一個月，而在法國南部海岸登陸作戰的「鐵砧」計畫，也只好拖到7月了，以便集中船隻先滿足諾曼底方面的需要。
除了紙面上的計畫和計算以外，各種作戰器材的準備也是繁重而複雜的。英國和美國雄厚的工業技術，此刻顯示了巨大的威力。他們設計了專供登陸作戰用的水陸兩用坦克，在作戰坦克上裝上推土機、掃雷器、火焰噴射器等不同功能的輔助器械。登陸地區附近的港口不是短時間可以攻佔的，大量後續物資還得通過海灘運送，於是又設計了兩座人工港口，由活動的沉箱構成，從英國本土拖至諾曼底海岸去裝置。同時，還有從海水下面裝設油管的計畫。
艾森豪威爾估計在7星期內，要把47個師從英國送往諾曼底，因運輸工具和飛機數量的限制，在D日送入歐洲大陸共有8個師，次日可達到10個師，到第5天諾曼底共有15個師，到第11天應有18個師，到第21天可達24個師，第36天可達30個師。同時又估計德軍在D日，第一線兵力為6個師，第5天可達12個師，第11天可達25個師，第21天可達30個師，第36天可達37個師。根據計畫，如果在登陸戰發起後第90天能到達塞納河一線，登陸戰才算是成功，對德國人的打擊才真正開始。
在諾曼底登陸後1個月內，英美聯軍的數量將處於劣勢。對此有3個補救措施：1.在俄國和義大利戰線繼續施加壓力，使之無法從東線抽調部隊來增援西線；2.在加萊海峽和法國地中海南岸保持威脅態勢，使德軍兵力分散；3.對西歐的鐵路和橋樑加以廣泛的轟炸，加重德軍預備隊調動的困難。然而，艾森豪威爾通過對其他戰場施加壓力，來削弱西歐德軍實力的企圖沒有成功。在義大利戰場上，凱塞林的兵力足以擋阻盟軍的進攻；在蘇聯前線，4月中旬地面已解凍，蘇軍攻勢早已瓦解在一片泥濘中。希特勒反而能抽調兵力增加西歐防禦。因此，盟軍只能採取轟炸後方和欺敵行動。前者是在法國境內，對通往沿海的各條公路、鐵路、橋樑實施廣泛的毀滅性轟炸，把海岸守軍同後方完全隔離起來。後者是讓德軍確信，登陸點在加萊地區，諾曼底不過是聲東擊西的佯動而已。
為此，盟軍精心策划了幾件事情：在加萊對面的英國本土上，搭起龐大兵營設施，製作許多橡皮坦克，頻繁發射無線電訊號，造成大部隊在此地大規模集結和調動的假象。這一行動一直保持到德軍諾曼底地區的部隊全線崩潰為止。利用德國統帥部認為巴頓部隊代表著盟軍主攻方向的判斷，聯軍還製造了「巴頓第9集團軍」，意在使德軍相信巴頓集團軍是登陸的主力，目標是法國的加萊地區。為此，艾森豪威爾故意讓巴頓幾個月不露面，製造神秘氣氛。事實上，巴頓的第3軍團將按計畫在諾曼底參加第二階段的戰鬥。聯軍還利用海外間諜機關四處放風，說在加萊對岸的英國本土集結著45～60個師，隨時準備進攻加萊。在發動諾曼底登陸前幾個星期里，聯軍空中轟炸在塞納河以北達246次，而在塞納河以南只有33次。對諾曼底空中偵察一次，便在加萊地區偵察兩次。這些欺騙手段配合使用，聯軍成功地把德軍欺騙到諾曼底德軍防線崩潰的前夕，使德軍在加萊的第15軍團，在關鍵時刻，不敢向諾曼底派遣援軍。直到7月19日，克魯格接替隆美爾「B集團軍群」指揮後，才將15軍團的預備隊第116裝甲師，派往即將崩潰的卡昂地區。
德國佔領法國後，幾乎用了近4年的時間，來修建所謂的「大西洋壁壘」，但到了1943年底，仍徒有虛名。1943年12月初，隆美爾受命視察「大西洋壁壘」工程情況後，向希特勒提呈了一份報告，指出防禦措施的許多不足。在對付盟軍登陸的問題上，他力主將其殲滅在海灘上，他還自告奮勇地要求擔負最重要地段的防守。隆美爾「禦敵于海岸線」的觀點正中一向「寸土必爭」的希特勒下懷。希特勒很快對西線部隊指揮系統作了調整：1942年7月復出，原任西線總司令的倫德斯特原職不動，但所屬部隊分為兩個集團軍群，隆美爾任「B集團軍群」司令，指揮第88軍團（駐荷蘭）、第15軍團（駐安特衛普－奧恩河一線）、第7軍團（駐奧恩河－羅亞爾河一線）。「G集團軍群」司令拉斯科維茲上將，指揮第1軍團（駐比開斯灣一帶）、第19軍團（駐法國南部地中海沿岸）。
從1944年1月開始，隆美爾開始實施自己的防禦計畫。鑒於北非戰場的經驗，他認為盟軍必定以猛烈的空中轟炸來開路，盡量地摧毀德軍海岸一線的防禦力量和設施，然後在水面艦隻和空中火力的掩護下，用數以百計的突擊艇和裝甲登陸艇在廣闊的戰線上從海面上登陸。他斷定盟軍會使用空降部隊，從後面打開大西洋壁壘防線，從而迅速建立橋頭堡。
根據這種判斷，隆美爾主張在海岸設置水下防登陸艇的各種障礙物，在可能空降的地區設置防空降障礙物，在近海地面上設置大量地雷陣。他斷言，如果在會戰發起後4天內不把對方趕下海，這場會戰就失敗了，登陸戰打響後的24小時將決定一切。為此，他一反德國裝甲兵傳統的「集中使用」原則，主張坦克部隊以師為單位分散布置在敵人最可能登陸的海岸線附近，在聯軍剛上岸，企圖建立灘頭陣地時，裝甲部隊即可投入使用。
設置海岸障礙線的工作進展較為順利，這是一種「人工暗礁」：1.在海底埋下木樁或鐵樁，頂端綁上水雷或地雷；2.安置混凝土製成的多角體、頂上插上鋒利的鋼片或掛上水雷以劃破登陸艇的橡皮並引起爆炸；3.安置「乾果夾式的地雷」，即在一個水泥盒子里裝上一顆重炮彈，插上一根木樁，登陸艇碰上木樁，使之因槓桿原理的作用，信管受壓而引發炮彈爆炸；4.灘頭上的照明設備，以來照射來襲之登陸的部隊；5.一些臨時可置用的障礙物，如以前俘獲的法軍戰防障礙物。隆美爾又根據海水