作战的最高指挥官由美国人担任。起初，罗斯福总统准备让马歇尔将军担任最高指挥官，但金海军上将和其他人都反对这一人选，他们认为，马歇尔不能不参加美国参谋长联席会议和盟军参谋长联席会议的工作。1943年12月初，罗斯福最终定下决心，指定艾森豪威尔将军指挥“霸王”作战。在艾森豪威尔手下指挥海、陆、空军部队的，全是英国人。他们是：海军上将B·H·拉姆齐爵士，陆军上将B·蒙哥马利爵士和空军上将T·L·马洛里爵士。
就其任务来说，艾森豪威尔将军接到了如下简扼而明确的指示：
你部将进入欧洲大陆，在其他同盟国家的协同下，对德作战，直取德国的心脏地区，并消灭其武装部队。进攻日期定于1944年5月。在夺取足够的沿海峡的法国港口之后，即行扩大战果，以夺取一个有利于对敌实施陆、空作战的地区。
指示的要点是准备结束战争。英、美以往在欧洲实施的所有作战目的都十分有限，因为盟军的指挥官们都意识到，只有从西面对德进行大规模强攻，才能取得决定性的战果。然而，此次“霸王”作战却是以结束战争为最终目的进行计划的。它和西西里登陆不一样，西西里的登陆突击部队占了当时可动用的作战部队的大部，而这次用于在西欧夺取登陆场的部队只不过是一支先头部队。根据预定计划，在冬季到来之前，盟军将投入50多个师。
“霸王”作战的计划工作可能是战争史上最复杂的一个问题，这个问题必须立即从战略的必要性和后勤补给的可行性两个不同角度加以探讨。根据前一个问题的考虑，同盟国远征军最高司令部（简称“谢夫”）的计划人员必须研究选定这次入侵的时间和地点。根据后一个问题的考虑，就必须分析研究为达到特定目的所需耍的补给品、装备和人员能否提供和运送至登陆地域。
登陆地域的选择是需要考虑的一个基本问题。摩根将军建议选在奥恩河口和科坦丁（瑟堡）半岛之间的诺曼底海岸一带，“谢夫”和盟军参谋长联席会议采纳了这个建议。正如“谢夫”的计划人员从一开始就认识到的那样，所选定的上述登陆地域并不理想。如果盟军直接渡过多佛尔海峡向加来地区实施登陆突击，那么，海上的路程最短，突击舰艇的往返周转也最快。此外，加来一带海滩的自然条件最好，而且离荷兰和比利时的港口以及德国工业中心——鲁尔都很近。但是，盟军的情报军官十分清楚，德国人已预料到盟军可能在这一地区登陆，并进行了周密的部署，以便把登陆部队赶下海去。此外，加来地区的海滩尽管可以很快利用，但过于狭窄，以致无法支援在首次登陆突击阶段之后的大规模作战。
诺曼底海岸有着良好的海滩条件，其中部分地区在一定程度上得到了科坦丁半岛天然防波堤的保护，而且，处在以英国为基地的战斗机的作战半径之内。尽管海滩后面的地形极差，但是，部队从两翼突破的可能性很大。如果从右翼向海上实施突击，就可以孤立布列塔尼亚（布勒斯特）半岛的德军；如果在左翼实施机动，则可占领法国的一些重要港口，最突出的是勒阿弗尔。盟军由于意识到从背后夺取港口比较花费时间，而且德国人在放弃港口之前将会破坏港内设施，因而决定在登陆场附近建造人造港，以加速卸载源源不断的补给品。
摩根将军建议在进行诺曼底登陆的同时，对法国南部海岸实施一次牵制性进攻。起初，盟军参谋长联席会议接受了这一建议。他们认为，从地中海一侧进攻法国不仅可以达到牵制敌人的目的，而且可以切断法国西南部的德军与其他地区的联系，夺取马赛港，进而增援和补给向德国挺进的南翼盟军。南部作战的代号最初定为“铁砧”。
摩根将军还建议，如果能得到所需的登陆、上陆工具，诺曼底登陆突击的规模应该扩大，以包括科坦丁半岛东海岸上的几处登陆。因为在这里实施登陆可以尽早孤立和占领半岛顶端的瑟堡港。艾森豪威尔在担任“霸王”作战的司令官之后的一个正式行动，就是接受摩根将军关于加宽诺曼底登陆正面的建议，并派蒙哥马利前往伦敦，要求将横渡海峡实施突击的首批兵力3个师增加到5个师。鉴于“霸王”作战的规模扩大后，其登陆、上陆工具的唯一来源就是“铁砧”作战，因而统帅部不得不将“铁砧”作战推迟到8月中旬。这样，原先准备用于“铁砧”作战的舰艇可以首先用于“霸王”作战。这一权宜之计再加上把造船厂在一个月内为太平洋战区生产的舰艇转用于诺曼底登陆，就使拟用于“霸王”作战的登陆、上陆工具达到了最低需要量。当时登陆舰艇极度缺乏，以致盟军由于其3艘坦克登陆舰在一次入侵预演中被德军鱼雷艇击沉，竟丧失了这次作战中坦克登陆舰的全部后备力量。美国的参谋长联席会议曾预计在1942年或1943年实施横渡海峡作战，因而一度把建造登陆、上陆工具列为优先项目。但是，为了加速建造供大西洋之战使用的反潜舰艇，以及由于美国不知道何时才能说服英国对西欧实施入侵，因此，登陆、上陆工具的建造数量被削减了。无疑，“铁砧”作战的推迟意味着，它不能再作为“霸王”作战的一种牵制行动。但是，对艾森豪威尔来说，在其右翼的地中海上夺取一个重要港口对他极为有利，因而就使这次南部的入侵具有重大意义。
由于入侵法国南部的部队必须从意大利调集，因此，当盟军的大规模强攻在安齐奥和德军的古斯塔夫防线陷入停顿时，“铁砧”作战几乎被取消。甚至在第5和第8集团军于1944年春突破了德军防线，并向意大利北部推进时，丘吉尔及其陆军的将领们还依然坚持取消“铁砧”作战。他们想利用盟军在意大利向前推进的势头，在亚德里亚海的的里雅斯特实施登陆，继而通过卢布尔雅那的山间隘口，向奥地利挺进。在卢布尔雅那的行动，不仅具有军事目的，而且具有政治意义。然而，令人怀疑的是，盟军能否沿着狭窄曲折的山路，穿过崎岖不平的隘口，战胜该地区的25个德国师，抢在俄国人之前赶到多瑙河。艾森豪威尔一直坚持要实施“铁砧”作战（当时，为了安全起见，“铁砧”作战改称“龙骑兵”作战），罗斯福总统也认为卢布尔雅那计划是一次反常的军事行动。在他的支持下，艾森豪威尔终于达到了目的——实施“铁砧”作战。
根据最后拟定的“霸王”作战计划，盟军要在D日的前夜空降3个伞兵师。接着，在日出后，2个美国师和3个英国师将几乎同时从海上实施登陆突击。整个登陆选用5个海滩区：美军在“犹他”和“奥马哈”海滩区实施登陆突击，英军则在“哥尔德”、“朱诺”和“斯沃德”海滩区实施登陆突击，登陆前，海、空军将对滩头及滩头防御工事实施猛烈的炮轰。到这时，甚至连那些对昼间登陆和海军舰炮支援持怀疑态度的陆军军官也不再反对这样做了。
“霸王”作战（包括后续部队）是有史以来规模最大的一次两栖登陆突击。尽管如此，它也不过是同盟国在1944年春对德作战的总战略中的一部分，第5和第8集团军在意大利牵制了25个德国师，使之不能投入其他战场。在东部战线，被打得焦头烂额的德国陆军正向本国溃退，212个德国师在与苏军交锋。尽管盟军在意大利和俄国的兵力远远超过了即将入侵法国西部的兵力，但是，对“霸王”作战来说，这些兵力所起的却是一种战略上的牵制作用，可使入侵诺曼底的部队得以竭尽全力来对付整个德国军事力量中的这一小部分兵力。
德军的防御计划
希特勒估计到盟军最终将从西线重返欧洲大陆，因此，他命令西线部队做好准备，随时将入侵之敌赶下大海。希特勒还指示西线部队总司令格尔德·冯·龙德施泰特元帅构筑一道由隐蔽的火炮阵地组成的“大西洋壁垒”。这些火炮可以炮击从西班牙至挪威之间的每一处可能实施登陆的海滩。然而，希特勒由于其注意力主要集中在俄国战场，因而只能偶尔顾及西欧。大西洋战线在德国国防军中就象继子一样，处于受冷落的地位。
尽管德国人一致认为盟军对西欧的突击将不迟于1944年春，但对盟军实施突击的地点却没有取得一致的意见。陆军认为，盟军很可能在加来地区登陆，因为加来地区离英国最近，而且，德军正在这里修建V型武器（即无人驾驶飞机和远程火箭）的发射场。一旦同盟国发现这些设施，并认识到它们对英国所构成的威胁，他们无疑将不惜一切代价向这里推进。德国陆军的情报机构还进一步认为，盟军将避开诺曼底海滩。因为这些海滩后面是一片由零碎的乡田构成的、难以通行的灌木林区，中间有以树木和灌木丛覆顶的土坎相隔，这种地形对守方十分有利。然而，德国海军的情报军官却得出了截然不同的结论。他们研究了盟军的轰炸和扫、布雷样式，分析了英国各港口的活动情况，最后认定，盟军将在加来以西登陆。希特勒凭着他的直觉观察指出，科坦丁半岛和布列塔尼亚半岛很可能成为盟军进攻的目标。鉴于上述各种估计，德军不仅对加来海滩严加防守，而且对诺曼底海滩的防御也没有放松。
与此同时，龙德施泰特已对“大西洋壁垒”的固定防御原则产生了怀疑。在研究了盟军在萨勒诺的登陆突击之后，他认为他的部队不可能在敌方有舰炮火力支援的情况下把入侵者消灭于水线附近。所以，龙德施泰特越来越倚重于部署在内陆战略位置的快速步兵部队和装甲师，因为这些部队可以迅速冲到海岸，以阻止盟军使用他们可能占领的任何登陆场。
1944年初，希特勒下令隆美尔元帅归龙德施泰特指挥，并交给他下述特定任务：用德军第7和第15集团军防守斯凯尔特到卢瓦尔之间的大西洋海岸。希特勒的这一任命在德军西部防线造成了混乱和分歧，因为隆美尔根据他在北非的经验对情况进行的估计认为，同盟国的空军将阻止龙德施泰特的快速预备队及时到达海岸以取得决定性的战果。他坚持主张，担任防御的装甲部队必须部署在离海岸5英里以内的地方。他争辩说，双方的胜负应将在海滩见分晓；除非入侵者在24小时之内被赶下海去，否则，德国就将面临失败。最后，只好希特勒亲自出面调解隆美尔和龙德施泰特之间的意见分歧。希特勒采取了折衷的解决方法。他派给隆美尔一些装甲部队，但其数量不足以实现隆美尔的原定计划。龙德施泰特的预备队的大部分兵力则仍然部署在内陆。
隆美尔由于没有得到他所需要的兵力，就把力量集中于固定的防御上。他甚至忽视部队的训练，把士兵当成劳动力，劲头十足地着手加固“大西洋壁垒”，并将重点放在构筑混凝土的暗炮台上。隆美尔极度重视地雷和水雷，他准备在所有海滩和海滩的道路上进行密集布雷。这需要上亿个水雷和地雷，而德国工厂只能生产他所需要量的百分之四。隆美尔原计划在海滩上设置几道障碍，以阻挡对方的登陆艇。所幸的是，其中可在低潮时发挥作用的障碍未能及时设置。隆美尔还打算在所有障碍区进行布雷，但直到D日那天，这项工作还远远没有完成。此外，隆美尔放水淹没了岸炮阵地后面的洼地，以此作为第二道防线。为了阻止盟军伞兵和滑翔机的着陆，他又在可以着陆的开阔地上密集地设立大量的木桩（称之为“隆美尔芦笋”）。由于缺少地雷，隆美尔计划在这些木桩顶部装上特别的炮弹，并用带刺的铁丝与雷管连接起来。这样，只要一触动铁丝，炮弹就会爆炸。但是，由于炮弹迟迟才运到，未能及时安装，因而这一计划终成泡影。
隆美尔，这位擅长于灵活机动的能手，并没有完全依赖于固定防御。他竭尽全力为他的步兵部队和被龙德施泰特保留在后方的装甲师的迅速调动创造条件。然而，由于缺乏足够的摩托化车辆，盟军的空中优势以及盟军预先对铁路和桥梁进行了轰炸和破坏，隆美尔的努力在盟军登陆时几乎没有发挥什么作用。具有讽刺意味的是，这些闪电战的创始者竟不得不主要依靠徒步或自行车开赴作战地域。
D日和H时的选择
入侵法国的目标日暂定于1944年5月1日，实际日期将视潮汐、能见度、气候和装备配备等情况加以决定。为了能多得到一个月生产的登陆、上陆工具，艾森豪威尔将军在征得盟军参谋长联席会议的同意后，把目标日推迟到6月1日。这是可以实施入侵的最迟的日子，因为盟军需要争取利用整个夏季进行作战，以便巩固其征服法国的胜利。以6月1日为预定的目标日，“谢夫”的参谋人员开始选择各种自然条件都最有利于登陆的时