8 мая 1944 года Эйзенхауэр назначил день высадки — 5 июня. 23 мая предварительный приказ получили все флотские штабы в Великобритании, после чего началось тщательно подготовленное сосредоточение кораблей и судов в исходных пунктах. 25 мая верховный командующий утвердил дату высадки, и Рамсей приказал капитанам кораблей вскрыть пакеты с инструкциями. После этого для сохранения тайны было прекращено сообщение судов с берегом. 1 июня адмирал принял командование всеми силами операции «Нептун» из Боевого штаба возле Портсмута. К утру 4 июня корабли и суда находились либо в море, либо в готовности. Плохие погодные условия заставили Эйзенхауэра отложить высадку на сутки. Система была отлажена так хорошо, что все конвои вернули сигналами по радио; лишь за одним пришлось послать корабль. Предсказанное синоптиками улучшение погоды побудило принять решение проводить операцию, ибо в противном случае ее пришлось бы перенести на несколько недель.

Рамсей в ходе дискуссии по поводу решения, отменять ли высадку, занял нейтральную позицию. Он сказал, что в дурную погоду можно справиться с управлением судами, однако сложно будет вести огонь из орудий с качающихся кораблей.

Плохая погода, как и у Сицилии, позволила обеспечить неожиданность высадки, ибо противник не ожидал вторжения и даже германская патрульная авиация была отозвана.

Несмотря на высокий уровень воды, не позволивший уничтожить все подводные препятствия, десантные войска при поддержке огня многочисленной артиллерии, включая пушки с борта судов, при полном господстве на море и воздухе были высажены со сравнительно небольшими потерями. Сначала береговые батареи атаковала стратегическая, затем — тактическая авиация, далее на берег обрушился огонь линейных кораблей и других артиллерийских судов поддержки. Отряды прикрытия отразили попытки германских подводных лодок, торпедных катеров и эсминцев нанести удар по конвоям. Больший ущерб нанес шторм в середине июня, который вывел из строя одну искусственную гавань и затянул до 19 июля постройку другой. Тем не менее выгрузка на берег продолжалась. Было решено в отлив оставлять десантные суда на берегу, чтобы разгружать их прямо на суше.

Так как к концу июня положение в районе высадки стабилизировалось, штаб‑квартира Рамсея была переведена с корабля на берег — в Курсель. Морская боевая часть операции завершалась. Однако корабли флота участвовали в обстрелах побережья. Флот занимался восстановлением разрушенных французских портов, которые обеспечивали потребности армии в грузах. 5 июля на плацдарм высадился миллионный солдат. Значительная часть кораблей, участвовавших в операции «Нептун», направлялась на Средиземное море для доставки десанта на юг Франции. В отчете Рамсей отметил, что высадка была проведена в соответствии с планом. Сказалась не только работа над плановыми документами, но и упорная боевая подготовка, тренировка моряков и войск. Немалую роль сыграл и сам адмирал Рамсей, ибо победу обеспечило господство флота на море и авиации в воздухе.

Так как германское командование начало подвергать морские перевозки атакам торпедных катеров и других военных судов, Рамсей создал эскадру из малых артиллерийских кораблей, которая днем у берега поддерживала армию, а вечерами патрулировала якорные стоянки, отбивая атаки неприятельского флота. Германский флот потерял в Ла‑Манше с 1 июля по 4 августа 9 подводных лодок. Успехи противника оказались невелики.

4 сентября союзники заняли Антверпен. Порт почти не пострадал, и Рамсей считал, что необходимо очистить от немцев устье Шельды и взять остров Валхерн, чтобы Антверпен стал основным центром снабжения войск, уже страдавших от недостатка боеприпасов. 10 сентября Объединенный комитет начальников штабов убедил Эйзенхауэра в необходимости порта, но лишь в октябре Рамсей смог побудить Монтгомери принять меры для его открытия. В конце октября Рамсей подготовил операцию по взятию Валхерна. 1 ноября специально подготовленная бригада морской пехоты была на десантных судах высажена на остров, и 8 ноября гитлеровцы на Валхерне капитулировали. 26 ноября после расчистки русла первый транспорт прибыл в Антверпен, ставший главной базой снабжения армий.

Рамсей погиб в авиакатастрофе под Парижем 2 января 1945 года. Союзники высоко оценивали заслуги адмирала в организации десантных операций, признавая его превосходство в этом виде действий. Эйзенхауэр писал о флотоводце: «Рамсей был знающим командиром — мужественным, изобретательным, обладающим неисчерпаемым запасом энергии. Более того, все мы знали его как полезного и общительного человека, хотя иногда смеялись между собой над его педантичностью, с какой он соблюдал традиции английского военно‑морского флота как главного вида вооруженных сил».

В 1945 году моряка посмертно наградили американским орденом «За заслуги». Рамсей не дожил до победы, но сыграл существенную роль в ее достижении.