L'artillerie embarquée à bord des bâtiments de guerre des forces navales alliées représente un double intérêt pour les assaillants. Dans un premiers temps, elle permet de détruire tous les objectifs avant le début de l'assaut et d'appuyer l'infanterie ainsi que les blindés lorsqu'aucun moyen d'artillerie terrestre n'est encore disponible. Dans un deuxième temps, lorsque des unités sont au sol et peuvent s'appuyer de manière autonome, elles offrent un appui supplémentaire particulièrement puissant du fait des calibres déployés, mettant en oeuvre des tirs de barrage ou de neutralisation efficaces.

L'artillerie navale alliée débute son tir des objectifs sur ou à proximité des plages quasiment immédiatement après le bombardement effectué par l'aviation, à savoir à 5h10 du matin. Les bâtiments de guerre sont répartis selon des forces d'intervention, des "Task Forces", qui possèdent toutes leurs objectifs : devant Utah Beach, la Task Force U pilonne les batteries de Saint-Marcouf et Quinéville, les différents points d'appui et la batterie de Maisy. La Task Force O devant Omaha et la Pointe du Hoc fait de même avec comme points particuliers la batterie sur la Pointe du Hoc, les points d'appuis entre Vierville-sur-Mer et Port-en-Bessin. Le premier tir est effectué le croiseur Orion au large de Gold Beach (Task Force G), qui est aussitôt suivi par les croiseurs Ajax, Argonaut, Emerald, par la canonnière néerlandaise Flores et treize destroyers. L'artillerie navale frappe sans discontinuer les cibles attribuées au préalable jusqu'à trente minutes avant le début du débarquement proprement dit, c'est-à-dire 5h50.

S'il n'y a pas de bâtiments de ligne (croiseur, cuirassé ou canonnière) déployé devant la plage de Juno, l'appui feu naval est assuré par les 11 destroyers déployés dans ce secteur (Task Force J). Enfin, l'artillerie navale de la Task Force S devant Sword Beach prend sous ses feux les batteries situées à l'est de l'Orne. Par ailleurs, des navires transportant des fantassins ainsi que des chars comme le LCT(R) tirent des salves de roquettes en direction des positions allemandes pendant toute leur phase d'approche de la plage.

Des observateurs d'artillerie guident les tirs des bâtiments de guerre qui apportent ensuite les corrections. Ces personnels sont soit embarqués à bord des navires, soit en vol dans des avions de reconnaissance. Mais la qualité du bombardement laisse parfois à désirer, en particulier dans le secteur d'Omaha Beach. Les premiers obus mettent le feu aux dunes et une épaisse fumée masque la visibilité aux observateurs qui ne sont plus en mesure d'assurer un appui précis au profit des troupes. Beaucoup d'obus sont trop longs et se perdent dans l'arrière-pays normand, laissant des points d'appuis allemands presqu'intacts. Le résultat de ces bombardements, en particulier à Omaha, est parfois plus spectaculaire qu'efficace, mais les troupes d'assaut conservent une motivation à toute épreuve en assistant à cet impressionnant spectacle.

Une fois les troupes ayant été débarquées sur les plages, le tir de l'artillerie navale se fait plus ponctuel, sur des objectifs bien définis et les canonniers alliés sont alors guidés par les personnels au contact. A Omaha Beach, les Allemands abrités dans les points d'appui ouvrent le feu au dernier moment pour dévoiler le plus tard possible leurs positions. Ils emploient exclusivement des munitions ordinaires et ce n'est que parce qu'ils sont à court qu'ils emploient des balles traçantes, facilement identifiables depuis les navires qui ouvrent aussitôt le feu en direction des départs des coups.

Pendant toute la journée du 6 juin 1944, l'artillerie navale bombarde les plages puis de manière plus large le littoral, protégeant les troupes derrière un rideau d'acier, appuyant ponctuellement certaines actions offensives ou stoppant des contre-attaques adverses comme à la Pointe du Hoc. Les bâtiments de guerre restent ensuite en place dans la baie de Somme pour appuyer les opérations de la bataille de Normandie, notamment dans la région de Caen.