1944年7月21日，晴空萬里，風平浪靜，正是交兵的好天氣，凌晨開始，美軍就以6艘戰列艦、3艘護航航母、8艘巡洋艦和32艘驅逐艦進行直接火力支援，而且還採用了一種新的戰術，軍艦和飛機同時對同一目標進行協同攻擊，規定艦炮彈道不得高於365米，飛機投彈高度不得低於457米，這樣艦炮與飛機就能發揮更大威力。
八時三十分，在猛烈炮火支援下，美軍開始突擊上陸，陸戰三師在奧羅特半島北部的阿散海灘登陸，陸戰一旅和七十七師在奧羅特半島南部的阿加特海灘登陸。阿散灘頭，陸戰三師三個團同時展開，在1800米寬的灘頭並肩突擊，由於海岸中珊瑚暗礁很多，只有履帶登陸車能夠上陸，所以全靠履帶登陸車往返接運部隊，最初登陸非常順利，日軍抵抗微不足道，中午前後，全師部隊以及車輛、火炮就全部上陸，隨即發現登陸灘頭地形極其不利，前是高地，後是大海，兩翼是險峻的懸崖，日軍在三面山頂和反斜面部署的火炮居高臨下覆蓋整個登陸灘頭，美軍兩萬餘人擁擠在狹小的登陸灘頭，日軍每一發炮彈都會給美軍造成巨大傷亡，陸戰三團所要攻擊的地形最爲險惡，因而傷亡最大，進展最小;陸戰二十一團和陸戰九團處境相對要好些，在艦炮火力的有效支援下，都佔領了當面的山頭，並擊退了日軍的反擊。
南部阿加特灘頭日軍抵抗比北部更兇猛，美軍履帶登陸車剛到達珊瑚礁，就遭到了日軍炮火的猛烈轟擊，轉瞬間就有24輛履帶登陸車被擊毀，佔總數的八分之一，由於履帶登陸車損失慘重，很多士兵只得涉水上岸，被壓制在日軍火力點前，無法前進，而補給品也沒有按計劃運上岸，登陸遇到很大困難。陸戰暫一旅奮力殺出一條血路，於中午十一時許到達了第一預定目標，暫一旅旅長也隨之上岸，開設指揮所，率領部隊奮勇衝殺。伴隨登陸部隊上陸的坦克由於地形複雜、遍地障礙和地雷以及錯誤的引導，一直沒能投入戰鬥，只有一輛坦克在爭奪加安據點的激戰中，發揮了作用，繞到日軍陣地後方，用炮火摧毀了堅固的據點，爲步兵前進打開了通路。全天，戰鬥非常激烈。入夜後，日軍按慣例發起了反擊，美軍早有防備，不斷髮射照明彈，一發現日軍攻擊，立即召喚艦炮火力射擊，日軍攻勢雖然兇猛，卻敵不過美軍的炮火。
1944年7月22日，北部阿散灘頭的美軍在艦炮火力支援下開始向前推進，陸戰九團攻佔了皮提造船廠，其先頭部隊已經到達了阿普拉港;陸戰二十一團攻佔了當面的高地，將日軍逐下山頭;陸戰三團最爲艱苦，傷亡慘重而進展緩慢，經過多次增援，才奪下了鳥瞰登陸灘頭的高地，並推進至阿格拉至騰爵公路，使美軍的坦克能夠沿着這條公路前進。南部灘頭也是一番苦戰，陸戰四團經過血戰，才肅清了阿利凡山上的日軍;步兵七十七師之三零五團雖然進展緩慢，但到了天黑時分，終於與陸戰一旅會合，形成了統一鞏固的登陸場。
1944年7月23日，南部美軍繼續發展進攻，終於攻佔了所有能鳥瞰灘頭的高地。
1944年7月24日，北部美軍也經過三天的激戰，肅清了所有能鳥瞰灘頭的高地上的日軍。南部美軍開始攻擊蘇邁之敵，日軍拼死頑抗，阻止了美軍攻勢。
1944年7月25日晚，日軍向美軍發起了猛烈的反撲，這是經過了多天精心準備的，就以美軍防線的缺口作爲目標，先是集中炮火轟擊，再是小股部隊滲透突擊，美軍全力應戰，擊退了日軍多次衝鋒，但日軍根本不顧死傷，攻擊波一浪接一浪，終於從北部美軍陸戰三團與九團之間的空隙衝破了美軍防線，有部分日軍甚至一直衝到了灘頭，美軍後方迅速組織勤雜人員前去堵截，有一股日軍竟然衝到了美軍陸戰三師的野戰醫院，傷病員紛紛拿起武器投入戰鬥，無法行動的傷員甚至趴在牀上開槍，美軍火速調來兩個工兵連，纔將這股日軍消滅。其他地區的戰鬥一直持續到了1944年7月26日中午，終將日軍的這次反擊粉碎，日軍遺留下的屍體多達4000具。
1944年7月26日，日軍第四十八獨立混成旅團長重鬆少將戰死。
1944年7月27日，南部美軍七十七師攻佔了關島的制高點騰爵山，陸戰二十二團在猛烈炮火下攻擊能俯瞰機場的一個高地，日軍在美軍炮火下無法支撐，不等美軍發起衝擊就放棄了高地。同一天，北部美軍佔領方提臺地。
1944年7月28日，美軍終於奪取了蘇邁，南北兩面的部隊在騰爵山會師。當天日軍關島最高指揮官二十九師團長高品彪中將在戰鬥中被擊斃，前來關島視察因戰鬥打響而滯留的第三十一軍軍長小畑接替指揮。小畑深知美軍兵力火力都佔有較大優勢，爲進行持久抵抗，他只留下兩個大隊在關島最狹窄的腰部進行掩護，親率主力撤到聖羅薩山，準備作最後戰鬥。
1944年7月29日，陸戰一旅奪取了奧羅特半島，這樣美軍就已控制了關島的一半。美軍指揮關島作戰的最高指揮海軍陸戰隊第三軍軍長蓋格少將決定調整部署，陸戰三師在左、步兵七十七師在右並肩向北發展攻擊，陸戰一旅負責掩護後方，肅清已經佔領地區的日軍殘部。經短暫戰地休整，美軍於1944年7月31日發起了攻擊，在艦炮火力大力支援下，進展順利，十一時許，陸戰三團佔領了關島首府阿格拉。
1944年8月1日，蓋格命令美軍加快推進速度，力爭搶在日軍建立最後防線之前佔領聖羅薩山。
1944年8月2日，美軍攻佔了提延機場。
1944年8月3日，七十七師攻克巴里加達村，村裏的水井解決了美軍缺乏淡水的困難。
1944年8月4日，美軍奪取了一個日軍堅固防禦陣地，殲敵346人。
1944年8月6日，美軍推進到了聖羅薩山下，被日軍炮火所阻，美軍立即召喚艦炮支援，很快壓制了日軍炮火。
1944年8月7日，陸戰一旅完成了肅清後方的任務，在陸戰三師左翼加入進攻。
1944年8月8日，七十七師攻下了聖羅薩山，陸戰一旅則推進到了裏提迪安角。
1944年8月9日，七十七師的先頭部隊到達了帕提角。
1944年8月10日，小畑向東京大本營發出了最後的訣別電。美軍攻到了關島的最北端，蓋格宣佈關島日軍有組織的抵抗已經被肅清。
但戰鬥並未結束，1944年8月12日，美軍才攻下了日軍最後的一處陣地，小畑和指揮部的人員不是被殺就是自殺，至此，日軍抵抗才基本被平息。島上還有約9000日軍隱藏在叢林和巖洞中，不時出來騷擾，掃蕩日軍殘部的戰鬥一直到戰爭結束，1945年9月還有最後一批日軍約百餘人出來投降，9000日軍中的大部因爲補給斷絕，在叢林和巖洞中凍餓而死。關島一戰，美軍陣亡1435人，傷5648人。日軍陣亡18560人，被俘1250人。美軍傷亡比塞班島幾乎少了一半，主要因爲美軍將登陸時間推遲了一個多月，充分利用這段時間，增加了進攻兵力，加強了艦炮和航空火力準備。這是美軍充分吸取了塞班島的經驗教訓，同時證明在登陸作戰中，炮火準備的重要性，由此看來美軍推遲登陸是極爲明智的。
