霸王行动计划是在英国早期入侵法国作战计划的基础上制订的，前后历经2年多。
1941年9月，英国联合作战司令部参谋长蒙巴顿海军上将，开始研究在欧洲战场实施两栖登陆并开辟第二战场的可行性，同年12月，美国参战后美方正式与英方计划人员一起工作，不久，英方提出了一个穿过英吉利海峡登陆法国的计划草案，代号围捕（“Roundup”）。
1943年1月卡萨布兰卡会议后，英国总参谋部任命摩根（Frederick E.Morgan）中将出任盟军最高司令（还没有被任命）的参谋长，并授权他制订入侵法国的计划，代号铁砧（"ANVIL"）。
同年12月，美国陆军上将艾森豪威尔（Dwight D.Eisenhower）被任命为盟军最高司令，他选择在地中海的参谋长史密斯中将（Walter Bedell Smith）任盟军参谋长，摩根变成了副参谋长，作为平衡，英国空军上将泰德（Arthur Tedder）担任副总司令，主管战区空军。经过激烈的讨价还价，艾森豪威尔最终搞定了一个由英美双方组成的联合委员会，继续筹划穿过海峡攻击法国的作战。
按照铁砧计划，盟军投入3-5个师，沿加来海峡（Pas de Calais）进攻，攻击路线是从英国的多佛到法国的加来。后来，艾森豪威尔和蒙哥马利都认为3-5个师不够，因此，攻击地域被扩展到更广大地区，蒙哥马利倾向于将卡昂纳入攻击范围，摩根的计划人员则认为，将桥头堡扩展到60英里会超出盟军现有资源，蒙哥马利却认为，要么找到解决办法，要么更换司令，这场争执挑起了有关铁砧计划价值的争论，艾森豪威尔开始考虑从法国北部进攻的计划，代号霸王行动（“Operations Overlord“）。
1944年1月23日，盟军在争吵中决定从诺曼底发动攻击。美军在西侧，目标瑟堡（Cherbourg），英军在东侧，目标卡昂（Caen）。按照计划，进攻时间为1944年6月5日。
西线，在登陆当天夜里，美国82和101空降师在圣母教堂（Ste.Mere-Eglise）镇附近空降，占领通往海岸的道路，阻止敌人加强海岸防御。
第二天，布雷德利的第1集团军会到达那里，第7军第4师在法里维尔沙丘附近的犹他海滩登陆，东面，第5军第1师和29师一部，在维耶维尔附近的奥马哈海滩登陆，登陆成功后，第5军扩大滩头阵地，第7军穿过科坦因半岛，向南占领瑟堡，然后挥师南下，占领圣路易斯，一旦占领圣路易斯和圣路易斯-佩里尔公路，第1集团军就准备使用机械化部队实施进攻作战。其后，巴顿的第3集团军进入战场，向布列塔尼半岛进军，占领布雷斯特和其他港口，并在第1集团军进攻巴黎时，负责其右翼安全，
东线。英国第2集团军在巴约与卡昂间展开，英国第6空降师在H时前在卡昂和奥恩河口附近空降，占领作战区的东北翼。英国30军第50师在靠近巴约的黄金（GOLD）海滩登陆。第1军分两路向东进攻。加拿大第3师在朱诺(JUNO)海滩登陆，英国第3师在箭（SWORD）滩登陆。在登陆成功后，各部迅速占领交通要道，以便装甲部队展开。
为欺骗敌军，使他们相信登陆地点是加来而不是科坦因，盟军虚构了以多佛为基地的第1集团军群，其编制比蒙哥马利的第21集团军群还大，并任命巴顿任该集团军群总司令。为避免进攻时间泄露，盟军将这一天定为D日，从1943年9月以后，霸王行动的计划文件全部使用海王星（NEPTUNE）替代Overlord。
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。