1943年以後盟軍在大西洋上已經取得了反潛護航的全面勝利，保證了由美國 本土運往英國 的大批物資、人員安全地橫渡大西洋。英國幾乎成了一個大兵營，駐有來自十一個國家的近三百萬部隊，每個機場都停滿了飛機，每個港口都擠滿了艦船。據不完全統計，從1942年1月至1944年5月，由美國運到英國的各種物資達五百三十餘萬噸。
在所有物資中，最重要的就是登陸艇，爲了保證足夠數量的登陸艇，盟軍不僅將登陸時間推遲了一個月，還將原計劃同時發起的在法國 南部的登陸推遲到8月。美軍陸軍總參謀長馬歇爾不顧海軍的強烈反對，從太平洋戰場調來一批登陸艇，這才湊夠足夠的登陸艇。
爲填補艦炮火力與部隊上陸之間的火力空白，盟軍創造性地將大炮、多管火箭炮裝上登陸艇，改裝成火力支援艇，伴隨登陸艇一起衝擊，提供不間斷的火力支援。
爲了快速突破德軍的雷區和防禦陣地，英軍的坦克專家陸軍少將霍巴特提議研製特種坦克，組建特種裝甲部隊，在工兵登陸之前上陸，壓制德軍火力，清除雷區，破壞障礙，充當開路先鋒。1943年3月英國總參謀長艾倫·布魯克陸軍上將批准他的提議，並責成他具體承辦。霍巴特經數月努力，研製成功兩棲坦克、鋪路用的“轉筒”坦克、掃雷坦克、噴火坦克、架橋坦克、工兵突擊車等多種特種坦克，並訓練出一批特種坦克駕駛員，英軍在此基礎上組建了第79裝甲師，任命霍巴特爲師長。該師在類似諾曼底地形的英國諾福克海灘進行了演習，效果顯着。
英軍邀請美軍觀看演習，但美軍第1集團軍司令布萊德利沒有認識到這些特種坦克的重要作用，沒有選購特種坦克。結果在同樣堅固的德軍工事面前，英軍順利登陸，美軍則死傷慘重，爲此布萊德利在戰後遭到了很多人的指責。
在所有的準備工作中，最大的工程就是人工港了。由英國海軍少將坦南特負責。共造兩個人工港，代號分別爲桑樹A和桑樹B。首先建造146個空心混凝土沉箱，每個沉箱長61米，根據沉沒處的海水深度有八種不同尺寸，最小排水量1772噸，最大排水量6044噸。沉箱裏設有艦員艙室，還有2門高射炮。
有可供上浮的浮箱，有使其下沉的通海閥，打開後在十多分鐘內就可沉到指定位置。沉箱無法自航，將由拖船拖過海峽，沉在離岸一海里的5.5米等深線上，組成約9000米長的防波堤。建造這些沉箱共需60萬噸混凝土和3100噸鋼材，而建造時間只有半年，幾乎超過了經歷四年戰爭後的英國工業能力，但英國竭盡全力來完成這一工程，先後有500名軍官，1000名士兵，20000多工人和許多造船單位參與建造。
在146個沉箱中，有57個是在僅有的八個幹船塢裏建造，有41個是在浮船塢和船臺上建造，餘下的41個無處建造，而且時間急迫，坦南特情急之下在泰晤士河附近先挖出12個深坑，再在坑裏建造沉箱的基礎部分，然後在坑中注水，在漂浮狀態下造完其他部分。
其次建造23個直碼頭，以供登陸艦上的車輛直接駛上海灘。直碼頭由61米長，17米寬，18.4米高的排水量5000噸的鋼箱連接而成，固定在打到海底的樁子上，可隨波起伏。最後考慮到五六月間英吉利海峽風大浪急，決定在混凝土沉箱防波堤外沉下3艘舊軍艦和56艘舊商船，並在沉船外側約半海里處繫留若干個長61米的十字形鋼製構件，成兩列用錨固定在18米等深線，組成約7000米長的防浪堤。
這樣由沉箱、直碼頭、沉船、十字鋼構件組成的人工港，面積約五平方千米，是較完整的防浪水域，可同時停泊7艘吃水10米的大型艦船、20艘近海運輸船、400艘拖船和1000艘小艇，預計日貨物吞吐量1.2萬噸。建成人工港的各個部件後，還需要把這些多達400個總重約150萬噸部件從建造廠地運到英格蘭南部裝配，最後由拖船拖過海峽。整個工程終於在1944年6月初完成，實際上個完整的海港，其規模相當於英國的多佛爾港，通過這一人工港，盟軍可以在沒有攻佔大港口前卸載部隊使用所有物資。
除了人工港外，盟軍還有一項創舉——海底輸油管。這是考慮到登陸後會有大量的機械化部隊參戰，對燃油的需求極大，爲保障燃油供應，盟軍專門成立負責海底輸油管的機構，也由坦南特領導。共鋪設了四條直徑分別爲15毫米和25毫米的軟鋼管，從英國岸上先鋪到海中的繫泊設施上，再到登陸灘頭。每小時可從英國向灘頭輸送600噸燃油，能基本滿足要求。
盟軍的戰前準備認真細緻已到了令人難以置信的程度，例如考慮到首批空降部隊是由好幾個國家的士兵組成，又在夜間，服裝各異，裝備不同，語言不通，爲解決敵我識別的難題，給空降部隊的官兵每人配發一隻價值僅幾美分的“蟋蟀”玩具，這種玩具只有打火機大小，用手一捏，就會發出“卡巴”的響聲。盟軍規定的識別方法是一聲“卡巴”作爲詢問，兩聲“卡巴”作爲回答。幾美分的小玩具解決了大問題。
儘管盟軍的技術裝備優於德軍，但在數百萬登陸部隊中只有極少數人蔘加過北非和西西里等地的戰鬥，絕大多數都沒有實戰經驗，要和久經戰陣的德軍交手，戰前訓練就顯得特別重要。1943年9月，美軍中校薄·湯普森在英國德文郡北部建立了一個訓練基地，選擇與美軍登陸灘頭地形相似的海灘，按照偵察到的德軍防禦工事設置雷區、反坦克壕、碉堡、鐵絲網、障礙物等，再設想出各種戰時可能發生的情況，組織部隊反覆訓練。
戰後許多美軍士兵都高度評價了湯普森的訓練，認爲正是他所設計的訓練，才使他們在複雜的戰場上應變自如。同時，英軍也在英格蘭東部的偏僻海灘對參戰部隊進行近似實戰的訓練。如此高強度的實戰訓練對裝備肯定會有損壞，盟軍後勤修理人員晝夜搶修，才保障了在登陸前夕美軍和英軍的登陸艇完好率分別高達97.6%和99.3%。
1944年5月3日至5月8日，盟軍組織了最後一次大規模聯合演習，由盟軍海軍司令英國海軍上將拉姆齊任總指揮。演習就在美軍的訓練基地，除了沒有進行橫渡海峽外，其他環節都與實戰相同。演習非常成功，演習結束後軍官在嚴格保密的措施下向士兵介紹作戰情況，先說明本單位的任務和登陸位置，再結合登陸灘頭的照片及沙盤模型，講解具體任務，地雷如何清除，德軍火力點如何解決，佔領哪個地方，一切都一清二楚。通過這樣的介紹，士兵們完全明白自己在戰鬥中的任務，並通過訓練掌握應付的方法，使他們對登陸戰鬥充滿信心，既不陌生，也無恐懼。
盟軍對空降兵的訓練更爲重視，因爲在西西里登陸時，盟軍空降兵的作戰遭到很大失利，這使得盟軍高層將領對空降作戰意見不一，有的主張在敵縱深實施空降牽制德軍預備隊﹔有的主張在海灘淺近後方分散降落，實施大範圍襲擾﹔還有的如盟軍空軍司令馬洛裏上將認爲空降作戰將會遭到嚴重傷亡乾脆主張取消空降。
艾森豪威爾認爲諾曼底海灘後面是一片沼澤，只有幾條通路可供通行，如果不能及時控制這些通路登陸部隊將會被困在海灘上，而且德軍的裝甲部隊就部署在淺近縱深，如果不能佔領關鍵要地進行阻擊，登陸部隊就有被趕下海的危險。這兩項至關重要的任務又必須在登陸的同時完成，只有空降兵能做到。所以艾森豪威爾力排衆議決定使用盟軍在歐洲全部的空降兵力——3個空降師搶佔關鍵地區，以配合海上登陸，即便付出巨大代價也是必須的。
正因爲如此，他對這支擔負艱鉅而又重要任務的空降兵部隊臨戰訓練十分關注，採取特殊的訓練方法：首先按照計劃空降地區的地貌，造出一定比例的立體模型，模擬飛機從上空飛過的實景拍成影片，在訓練中給空降兵先看黑白影片，熟悉後再加上藍色濾光鏡，模擬成月光下的情景，讓空降兵熟悉瞭解空降地區，要求每個空降兵利用地圖和沙盤模型明確自己的任務，還要了解友鄰的使命﹔其次強化對飛機的識別和奪取敵陣地的針對性訓練﹔最後進行實戰演習，檢驗作戰方案，加強與登陸部隊的協同演練。爲保證空降部隊有足夠的裝備阻止德軍的裝甲部隊，還給空降部隊加強了反坦克手雷、地雷和火箭筒的配備。
考慮到第一批登陸部隊就達17.6萬人，分別從空中和海上投入作戰，不僅對部隊進行登陸戰例行的上船、航渡、換乘、突擊上陸等單項訓練，還特別加強了海、陸、空三軍的協同作戰，以避免在西西里登陸時自相殘殺的誤傷事件重演。
戰前偵察，盟軍早在1943年6月就開始了。由於法國抵抗組織和盟軍特工人員都無法進入登陸海灘，也就得不到相關的情報，所以空中偵察就成爲最重要的情報來源。僅從1944年4月1日到6月6日，盟軍就出動飛機多達4.5萬架次對法國北部進行了廣泛的空中照相偵察，獲得了比較全面系統的情報。除了飛機外，盟軍還動用袖珍潛艇和魚雷艇於夜間前往登陸地區，全面蒐集水文、地質、氣象、植被及德軍部署等情報。爲了迷惑德軍，盟軍同時也對加萊地區進行了空中偵察和袖珍潛艇海灘偵察，其中1944年5月17日在加萊海灘進行偵察的小組被德軍俘虜，更進一步強化了加萊是登陸地區的假象。
儘管盟軍通過多種手段的偵察取得了很多情報，但由於種種原因，仍無法獲得一些重要情報，給以後的作戰帶來一定影響。
盟軍還進行了大規模的心理戰，除了利用BBC的廣播，瓦解德軍士氣，鼓舞被佔領土的人民，尤其是從1944年4月25日起定期向德軍空投報道最新軍事新聞和德國國內新聞的《部隊要聞》，進一步動搖德軍的軍心。
氣象是登陸作戰能否順利實施的重要保證之一，爲此1944年5月初盟軍最高司令部任命英國空軍上校氣象學教授斯塔格爲首席氣象顧問，負責領導一個氣象組每週兩次向最高司令部報告氣象情況，5月20日起改爲每天兩次彙報氣象情況。5月29日到6月2日斯塔格都報告在預定登陸日6月5日會有暴風雨，這些報告令最高司令部的所有成員憂心忡忡。6月3日航程最遠的U編隊按計劃開始登船出發，氣象預報是6月5日會有強風，艾森豪威爾決定將登陸推遲二十四小時，召回了已出發的U編隊。
6月4日，英吉利海峽狂風暴雨，晚上21：30分，氣象組的科學家經仔細分析認爲在6月5日過後會有一段持續約十二小時的好天氣，隨後又是狂風暴雨的惡劣天氣。這時候身爲統帥的艾森豪威爾面臨着艱難的抉擇：是否在6月6日登陸?如果發起登陸，第一梯隊登陸後後續部隊可能會因天氣惡劣而無法登陸，那麼上岸的部隊將會陷入孤立無援的境地﹔如果取消登陸，那麼只有等到兩星期後的6月18日纔有合適的潮汐和月光，這樣一來會使士氣下降，部隊組織混亂，更重要的是祕密將無法保守。那是無法想象的!
艾森豪威爾思考一番後下令航程最遠的U編隊先出發，最終命令將在6月5日凌晨下達，到時候U編隊再根據這一命令返航或繼續前進。6月5日凌晨，斯塔格再次肯定6月6日將有短暫的好天氣，艾森豪威爾徵求司令部其他成員的意見，大家一致認爲要在6月6日登陸。艾森豪威爾沉思片刻，有人回憶說是兩分鐘，也有人回憶說是四分鐘，最後他堅定地下令於6月6日發起登陸。——正是準確的氣象保障才幫助統帥作出了艱難的抉擇。
充足的物資供應，逼真的實戰演練，廣泛的戰前偵察，準確的氣象保障，才使得諾曼底的勝利有了切實保證和堅實基礎。
