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当盟军登陆滩头成为巩固统一的登陆场后，就按预定计划向内陆发展，美军第1集团军夺取瑟堡，担负主攻；英军第2集团军猛攻卡昂，造成直取巴黎的假象作为佯攻。
德军虽然最初的反击已告失利，但并不甘心就这样任由盟军发展，隆美尔调整部署，使用步兵防守卡昂至科蒙一线，抽出装甲部队以反击手段来阻止美军的进攻。但还没等新的部署调整好，英军就先发制人发动了攻势，打乱了德军的计划，有力保障美军对瑟堡的攻击。
6月13日，英第7装甲师在向卡昂西南的维莱博日推进途中，与正从亚眠赶来的德军党卫军第2装甲师遭遇，双方随即爆发激战，英军人员、坦克损失很大，被迫后撤。虽然英军的进攻没有进展，但却将德军精锐的第2装甲师吸引在卡昂地区，为美军进攻创造了条件。当美军占领卡朗坦后，德军从卡昂地区无法抽出部队，只好从布列塔尼半岛紧急调来党卫军第17装甲师，攻击美军侧面以消除美军对瑟堡的威胁，美军经激烈战斗，击退了德军，并乘胜于6月14日突破德军在圣索沃地区的防线，最终于6月16日攻占了圣索沃。根据希特勒的指示，在该地区的4个师必须全力阻滞美军的前进，然后向瑟堡且战且退，死守瑟堡。隆美尔清楚地知道，这4个师几天来在战斗中兵力装备消耗很大，已无力胜任坚守瑟堡的重任，即使退入瑟堡，充其量不过使瑟堡多坚持几天而已。所以他向希特勒请求将这些部队直接撤往塞纳河，加强塞纳河的防御。但希特勒拒绝了他意见。当圣索沃地区出现被突破的征兆时，隆美尔不顾希特勒的指示，果断命令所有能联络上的部队迅速向南撤退，这才挽救了不少部队。
6月18日，美军攻占了科汤坦半岛中部的巴内维尔。
6月19日，美军出色发挥机动性强的优势，掉头直取蒙特堡，将科汤坦半岛拦腰切断。
同一天英吉利海峡风暴突起，风力达8级，浪高1.8米，给盟军带来很大损失。在美军地段的桑树A人工港，浮动码头解体，沉箱断裂，十字形钢制件相互碰撞而严重受损。在英军地段的桑树B人工港，由于受到海底礁石的保护作用，损失较小，只有4个沉箱被毁。在登陆滩头，盟军共有7艘坦克登陆舰，1艘大型人员登陆舰，1艘油船，3艘驳船，7艘拖网渔船，67艘登陆艇被大风刮沉，1艘巡洋舰和1艘渡船因相互碰撞而损坏，还有一些舰船因汹涌的风浪引爆了德军布设的水压水雷而被炸伤。狂风暴雨还将近800艘舰艇抛上陆地，迫使盟军的卸载中止了整整五天，使2万辆车辆，10万吨物资无法按计划上陆。风暴造成的物质损失大大超过了十三天作战中的损失，并迫使盟军的后勤补给出现严重困难。如果德军能抓住这一千载难逢的战机，进行反击，战局极有可能改写。可惜当时德军兵力仅仅能勉强进行防御。德军虽从匈牙利调来刚从苏联战场撤下来整编的党卫军第9、第10装甲师，该两师由于法国境内的铁路遭到严重破坏，部队集结机动都很困难，无法及时到达，错失了这一绝好时机。
6月20日，美军有3个师推进到距瑟堡仅8公里处。瑟堡位于科汤坦半岛北部，是法国北部最大港口。德军筑有混凝土野战工事，还利用河流和水渠设置反坦克障碍，在城郊部署有20个设在暗堡里的炮连，其中15个是口径150mm重炮，这些火炮既可向海上目标射击，又可控制内陆道路。只是兵力不足，因为前一时期的战斗已消耗了大量有生力量，城防司令施利本将军把勤杂人员编入战斗部队，才勉强凑起4个团的兵力。
6月21日，美军为保全港口设施，以广播敦促守军投降，遭到德军拒绝。于是美军决定对瑟堡实施强攻。
6月22日，盟国空军进行攻击前的航空火力准备，出动500架次飞机对瑟堡实施密集轰炸，投弹1100吨。随后美军3个师从南面发起猛攻，德军殊死抵抗。激战到6月24日，施利本已耗尽了所有预备队，他致电柏林要求空投铁十字勋章，授予有功人员以激励士气，仍准备死守到底。为尽快攻下瑟堡，美军迫切需要海军提供舰炮火力支援，可恶劣天气使得舰炮火力支援直到6月25日才开始。海军派出3艘战列舰，4艘巡洋舰，11艘驱逐舰组成舰炮支援编队支援地面部队，美第7军军长柯林斯中将为避免舰炮误伤己方部队，要求军舰除提供召唤射击外，只能对射击军舰的德军炮火还击，取消了其他一切远距离舰炮射击。海军军舰进行了长达七小时的舰炮射击，极其有效压制了德军炮兵火力。在强大的海空军火力支援下，美军第7军于6月25日黄昏冲入了瑟堡市区。次日，施利本和港口海军司令亨尼克少将一起宣布投降，但个别同主力失去联络的据点仍负隅顽抗，美军使用坦克和轰炸机协同攻击，将德军残部逐步压缩到瑟堡最西北端。7月1日最后据点里德军被迫投降。至此，美军占领整个科汤坦半岛，在夺取瑟堡和科汤坦半岛的战斗中，美军伤亡达2.5万人，德军伤亡被俘约3.6万人。
瑟堡虽被占领，却已是一片废墟。早在6月7日，也就是盟军登陆的第二天，德军就预料到盟军必将夺取瑟堡，立即开始有计划毁掉瑟堡，码头、防波堤、起重机等港口设备都被一一炸毁，港口水域里遍布水雷，还用沉船堵塞航道。美军的一位工兵专家看了瑟堡的毁坏情况，认为是“历史上最周密、最彻底的破坏。”盟军一占领瑟堡就派出大批工兵、打捞分队、扫雷舰艇进行清除工作，足足花了三个星期，扫除133枚水雷，打捞起20艘沉船，这才恢复了瑟堡港口的吞吐能力。7月16日，盟军从瑟堡卸下第一艘运输船物资。7月底，瑟堡日卸货量已达8500吨。到9月日卸货量又上升到1.7万吨。再经三个月的努力，使瑟堡的卸载能力仅次于马赛，成为盟军在欧洲的第二大港。截至1944年底，共有2137艘运输船进入瑟堡，总卸货量达282.6万吨。为反法西斯战争的胜利作出巨大贡献。
就在美军攻占瑟堡的同时，蒙哥马利指挥英军第2集团军，于6月26日以4个师的兵力发起代号为“埃普索姆赛马场”的作战，猛攻卡昂。于当天中午攻占舍克斯，并继续向前推进，但在左右两翼都受到德军党卫军第12装甲师的坚决反击，前进非常艰难。6月27日，英军经一番苦战，击退德军的反击，占领劳良，先头部队第11装甲师控制了奥登河上的桥梁。6月28日，英军主力渡过奥登河，建立起正面宽3650米，纵深900米的桥头阵地。6月29日，德军集中5个装甲师发起反击，盟军的空军乘着天气晴朗的有利条件大举出动，对德军装甲部队实施了极其猛烈的轰炸，瓦解了德军的攻势。英军第11装甲师乘机占领卡昂西南的战略要地112高地。德军深知112高地的重要价值，随即组织多次反扑，但均未得手。6月30日，德军集中所有炮火，全力炮击112高地，在猛烈炮击下，英军难以坚守，只好放弃112高地撤到奥登河岸边。德军虽夺回了112高地。但一直在盟国空军的猛烈打击下，无法集中使用装甲部队，也就发挥不出装甲部队巨大的突击威力，一般只能使用200名步兵和15—20辆坦克组成小型战斗群进行短促出击，难以取得胜利，加上几天来坦克损失约100辆，又得不到补充，隆美尔为确保卡昂，只好放弃外围一些阵地，将全部900辆坦克中的700辆部署于卡昂近郊。盟军在占领卡卢克机场后，再无力推进，双方陷入对峙。
6月29日，隆美尔和龙德施泰特晋见希特勒，汇报了当前的战局。希特勒对此大为不满，调整了德军西线高层指挥人事，以克卢格元帅取代龙德施泰特任西线总司令，埃伯巴赫取代冯·施韦彭格指挥西线装甲部队，并将所部改称第5坦克集团军，以党卫军上将豪瑟接替刚刚病故的多尔曼上将任第7集团军司令。
7月1日，盟军宣布“霸王”登陆作战中的海军作战即“海王”作战胜利结束。随即撤销东、西特混舰队的番号，所属舰艇一部分被调往地中海和太平洋。盟军又在诺曼地新设立两个海军基地司令部，一个在瑟堡，一个在朱诺海滩的人工港，具体负责指挥调度人员、物资的运输和卸载。
到七月初，盟军已上陆25个师，其中13个美国师，11个英国师，1个加拿大师，共100万人，56.7万吨物资，17.2万部车辆。盟军仍觉得登陆滩头太狭窄，便继续扩大登陆场。美军为保障日后能展开大规模的装甲部队，取得有利的进攻出发阵地，美军第1集团军在攻占瑟堡后马不停蹄立即挥师南下。
7月3日，盟军集中14个师的兵力，向登陆场正面德军约7个师发动猛攻。因前进的道路上是大片沼泽和诺曼底地区特有的树篱地形，易守难攻，加上天气不佳空军也无法出动，所以进展缓慢，在五天里才前进6.4公里，而伤亡高达5000人。接下来足足经七天的浴血奋战，又付出5000人的伤亡才推进4.8公里。伤亡如此之大，主要是前进的道路两侧都是沼泽，只能展开1个师的兵力，在遍布地雷、障碍物的道路上粉碎德军的顽抗步步推进。
7月6日，直属盟军最高司令部指挥的具有极强机动力和突击力的美军第3集团军，在骁勇善战的巴顿率领下，踏上欧洲大陆。
7月9日，德军党卫军装甲教导师被调到维尔河地区，抗击美军的攻势，尽管该师全力奋战，仍阻止不了美军的推进。
7月11日，西线美军向诺曼底地区重要的交通枢纽圣洛发动钳形攻击，但德军依托预先构筑的工事拼死抵抗，美军的攻击未能如愿。于是美军停止攻击，整顿部队，补充弹药，准备第二轮进攻。而德军人员、装备、弹药所剩无几，又得不到补充，已是山穷水尽。在美军随后发起的第二轮进攻中终于不支，圣洛于7月18日被美军攻占。在圣洛战斗中德军在诺曼底地区重要的前线指挥第84军军长马克斯中将阵亡。美军为夺取圣洛也付出了近4万人伤亡的高昂代价。随着圣洛的失守，德军在诺曼底地区防线被盟军分割为两段，局面更为被动不利。
与此同时，东线的英军对卡昂发动第二轮攻势。7月7日，盟军出动460架次重轰炸机，对德军阵地进行密集轰炸，在四十分钟里投弹达2500吨。7月8日，英军2个师和加军1个师在海军舰炮火力支援下，向卡昂实施向心突击。不料空军的猛烈轰炸虽给德军造成了惨重伤亡，却也造成了遍地瓦砾废墟，其损坏程度甚至严重影响了己方地面部队的推进，因此英军于7月10日才占领卡昂。
在随后的一周里，盟军一边补充兵力物资，一边不断向正面德军施加压力，使其无法重新调整部署。
7月18日，为进一步将登陆场扩大到奥恩河至迪沃河之间，英军继续由卡昂向东南推进，为配合英军的进攻，盟国空军实施了更猛烈的航空火力准备，共出动1700架次重轰炸机和400架次中轰炸机，投弹达1.2万吨，并吸取对卡昂轰炸的教训，炸弹都改用瞬发引信，以减少对道路的破坏。德军也改变战术，采取纵深梯次防御，大量使用88mm高射炮平射坦克，并在有利地形不断组织反冲击，使英军伤亡很大，坦克损失达150辆，进攻被迫停止。
尽管英军的进攻没有取得进展，但在整个战场上，盟军已到达冈城——考蒙——圣洛——莱索一线，形成正面宽150公里，纵深15—35公里的登陆场，建立并巩固了战略性质的桥头堡，完成了大规模地面总攻的准备，夺得了供大规模装甲部队展开的进攻出发阵地，为收复西欧奠定了坚实的基础。至此，诺曼底登陆战役胜利结束。
此役，盟军共伤亡12.2万人，其中美军7.3万人。海军损失1艘战列舰，3艘巡洋舰，8艘驱逐舰，3艘护卫舰和48艘其他舰船。德军伤亡7.3万人，被俘4.1万人，共损失11.4万人。
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