Dưới sự yểm trợ bằng các cuộc oanh tạc của không quân và bắn phá bằng pháo binh từ đảo Saipan, Sư đoàn Hải quân số 2 và số 4 đổ bộ lên đảo vào ngày 24 tháng 7-1944. Quân Mỹ đã đánh lạc hướng quân Nhật khỏi nơi đổ bộ thật sự là phía Bắc đảo, nhằm vào thị trấn chính phía Nam đảo. Do đó tàu USS Colorado và tàu khu trục USS Norman Scott đều bị bắn phá bởi đạn pháo 6 inch xuất phát từ đất liền. Chiếc Colorado bị bắn trúng 22 lần, mất 44 người, còn Norman Scott bị bắn trúng 6 lần, giết chết thuyền trưởng Seymore Owens và 22 thủy thủ.

Quân Nhật tiếp tục sử dụng chiến thuật đã được áp dụng trên đảo Saipan là rút lui vào ban ngày và tấn công vào ban đêm. Địa hình tương đối bằng phẳng của đảo cho phép bên tấn công có thể sử dụng hiệu quả xe tăng và pháo hơn địa hình nhiều núi của Saipan, do đó quân Nhật chỉ có thể kháng cự trong 9 ngày. Đến ngày 31 tháng 7, những lính Nhật còn sống bắt đầu chuyển sang thực hiện những cuộc tấn công tự sát.

Đây là trận đánh đầu tiên có dùng đến bom napan trên mặt trận Thái Bình Dương. Trong 120 quả bom được thả trong suốt chiến dịch, 25 quả chứa hỗn hợp napan, phần còn lại chứa hỗn hợp nhiên liệu dễ cháy và dầu. Chỉ có 14 quả trong số đó không phát nổ, sau đó có 8 quả được kích hoạt. Tất cả đều được thả xuống bởi máy bay P-47 Thunderbolt để tiêu diệt các mục tiêu ngụy trang của quân Nhật.