巴黎形势也和法国各地形势一样，出现了可喜的变化。巴黎及其近郊的抵抗组织在巴黎地区的法国内地军司令、共产党员罗尔—唐居伊上校的统一指挥下，积极开展武装斗争，不断袭击德国占领军的运输车辆和仓库，破坏供电网和电话线。仅6月8日～25日，他们就进行了93次作战行动。特别是在7月14日这个历史上攻占巴士底狱的重要纪念日，巴黎解放委员会号召全体巴黎市民，参加大规模的反德示威游行。在这一天，尽管维希政府和德国占领当局明令禁止罢工、集会，但是仍有10万人上街游行。这场大游行沉重地打击了占领当局。正如罗尔·唐居伊1944年8月7日记述的：“对于巴黎军团来说，敌人未曾决定实施拼命抵抗。恰恰相反，1944年7月14日的示威游行成为我们举行起义的前奏。”
8月10日，巴黎铁路工人开始罢工。随后，法国其他地区的铁路工人也跟着罢工，邮电工人、煤气工人、电业工人和公共事业工人也相继发起罢工。8月15日，驻守巴黎的1.5万名警察也加入到罢工的行列。工人们破坏铁路运输，使德军无法调动部队和运送武器装备，也无法从巴黎运出军需物品。
8月15日，法共机关报《人道报》发表了法共中央书记杜克洛的一篇文章，标题是《夺取巴黎之战》。作者强调指出，“夺取法国首都之战的时刻已经到来。”根据法共中央的指示，8月18日，法国总劳动同盟号召巴黎市民举行总罢工。当日夜，巴黎市区和城郊贴满了宣传画，上面写着共产党议员对人民的号召：
“我们号召巴黎和城郊的人民发动起义以求解放。人人参加斗争。这是巴黎地区全体居民的责任。”
8月19日，巴黎解放委员会发出起义的号召，驻巴黎地区的内地军总指挥罗尔·唐居伊上校下令武装起义开始。8时，2000名警察首先占领了警察局，逮捕了局长。接着，起义者占领了市政厅、公共大楼和印刷厂。不久，戴高乐派驻巴黎的法国抵抗运动临时代表亚历山大·帕罗迪接管了公共工程部、殖民部、供给部、司法和情报部等部门的权力。
8月19日下午，法国抵抗运动的个别领导人在事先没有得到巴黎解放委员会和内地军指挥部同意的情况下，就同巴黎的德军城防司令肖尔蒂茨进行停战谈判，并维成暂时协议。帕罗迪还向巴黎市民指出：“敌人昨天还拒不承认我们的内地军，现已要求停战……每个人都要坚守岗位，执行命令……战斗仍在继续。”8月20日，法国共产党、巴黎地区工会联合会、民族阵线、内地军等表示反对缔结停战协定。由于巴黎爱国力量联合行动，继续攻占了火车站、电台和报社，并占领了政府各部和银行的大楼。是日，唐居伊派代表前往美军驻地会见巴顿将军，向他介绍了巴黎的处境，要求立即派兵支援。
8月21日，巴黎解放委员会号召市民更广泛地开展武装起义，提出：“砍掉树木，挖好防坦克壕，筑起街垒，让取得胜利的人民去迎接盟军！”唐居伊下令要无情地打击敌人。据此，起义规模日益扩大，爱国志士在市内和通往市区的主要道路上筑起了街垒和路障。是日晚，巴黎市区及市郊的3/4区域获得解放。
8月21日，巴顿将军指挥的第3集团军先头部队占领了巴黎以南30公里处的利穆尔和阿巴永。美军曾设想对巴黎实施钳形包围，让位于右翼的巴顿集团军从东西迂回包围巴黎，左翼穿过塞纳河抵达芒特，两翼部队在巴黎以北会师。这时，已从阿尔及尔到达法国瑟堡的戴高乐函告艾森豪威尔将军说，他很担心巴黎的警察部队和德军撤离，市内的食品供应发生危机，巴黎因此会出现骚乱。他认为，“确实需要由法军和盟军尽快占领巴黎，即使市区内的战斗会造成一些破坏也要去占领。”他警告说，如果发生骚乱，以后处理事情时很难不发生可能最终妨碍军事行动的严重事件。他提名柯尼希将军担任巴黎军事管制政府总督，以便在艾森豪威尔将军决定立即前进时与他商议占领的问题。艾森豪威尔将军在与柯尼希将军谈话后说：“现在看来好像我们将不得不进入巴黎。布莱德雷和他的情报处长都认为我们能够而且必须开进城去。”
美国第28步兵师沿着巴黎的香舍里榭大道行进艾森豪威尔将军决定派兵直接进入巴黎，但是派哪支部队首先进城倒是个棘手的问题。因为许多部队都提出要求，把首先进入巴黎看作是一种荣誉，其中呼声最高的是勒克莱尔指挥的法军第2装甲师。该师于8月1日随盟军在法国西北部登陆后，被编入巴顿的第3集团军第15军，参加了对法莱斯的包围，并在尚布瓦与波兰军队会合。这时，第15军的2个师奉命向德勒推进。戴高乐命令勒克莱尔的第2装甲师迅速向巴黎靠近，于是后者便向巴顿提出了要求，未获得批准。这样，勒克莱尔便于8月16日率部离开了美国第3集团军，加入美国第1集团军，被编入第5军。接着，戴高乐又指示这支法国部队，不管美国人同意与否，都要立即向巴黎推进。8月21日，法军第2装甲师仍位于阿让唐地区，与美军先头部队相距约100公里，勒克莱尔命令部队全速前进，如果艾森豪威尔不同意直接进入巴黎，他也要把离巴黎最近的部队留在那里。鉴于这种情况，特别是为了照顾法国人的感情，艾森豪威尔将军最终还是批准了首先由法军第2装甲师进入巴黎。这道命令是8月22日由布莱德雷传达的。不久，美军第4师也接到命令，沿法国首都南部前进，以夺取巴黎以南的塞纳河诸渡口，并占领南面和东南面的阵地。
8月23日6时30分，北路的勒克莱尔部队作为主力开始向巴黎进发，并加强有1支英国小分队、1个美国骑兵侦察组、1个美军工兵小组和美军第5军的炮兵。在南路进攻的是美军第5军司令部、美军第4师，并加强有2个反坦克炮兵营和2个重型坦克营。盟军在向巴黎进军的路上未遇到德军的有力抵抗。8月24日傍晚，法军第2装甲师和美军第4师开进巴黎。8月25日晨，法军向肖尔蒂茨发出最后通牒，遭到拒绝后，法军于下午1时向德军指挥部发起攻击，迅速消灭了敌人的有生力量，下午3时，摧毁了德军指挥部，活捉了肖尔蒂茨，并将其带到警察局。在那里，肖尔蒂茨代表德军守备部队正式向勒克莱尔将军和唐居伊上校无条件投降，巴黎遂告解放。此次战斗，法国内地军伤亡2356人，市民伤亡2408人，法军第2装甲师伤亡628人；德国占领军亡3200人，伤4911人。
8月25日，戴高乐作为法兰西共和国临时政府首脑与法军第2装甲师一起进入巴黎，并在国防部大厦设立了指挥部。事先，关于戴高乐能否按时进入巴黎的问题，英美两国政府官员曾有不同意见。有一种想法是把戴高乐进巴黎的时间推迟到能达成某种协议之后。但是，戴高乐清醒地认识到，任何阻止他进入巴黎的企图都是对战斗法国控制法国局势的反对，是对他的权威的否定。因此，他认为在这个大是大非的问题上没有妥协的余地。于是，戴高乐在8月中旬通知艾森豪威尔将军，他打算从阿尔及尔到法国。在戴高乐的坚持下，盟军远征军最高司令部建议他乘坐美国飞机并在伦敦降落，然后再飞往法国大陆。戴高乐显然怀疑这种做法是企图不让他进入法国，而并不是一项保护他的专机免遭袭击的措施。于是，他宣布要乘自己的座机出发，在瑟堡和雷恩着陆。艾森豪威尔将军警告说，盟军的高炮部队可能识别不了戴高乐所乘坐的那种飞机，并拒绝为他的安全承担责任。在这种情况下，戴高乐不得不把他登陆法国的计划推迟一天。8月18日，戴高乐乘机安全抵达瑟堡，并及时赶上了法军第2装甲师，于8月25日进入巴黎。
8月26日，戴高乐打算在巴黎举行盛大的阅兵式，以宣告他对巴黎的接管和控制。但是，美军第5军军长伦纳德·杰罗将军不同意这样做，理由是担心刚刚解放了的巴黎还不安全。然而，戴高乐还是决定去接见群众，不让等候在市政厅外的广大群众失望。
在去市政厅的路上，他首先到了警察局，检阅了在巴黎起义中立功的警察部队，然后在市政厅的一个阳台上接见了拥护他的广大市民，随后又接见了各抵抗运动组织的领导人。8月27日，艾森豪威尔将军访问了法国首都。在访问期间，艾森豪威尔考虑到巴黎目前的形势，同意戴高乐和布莱德雷将军一块检阅部队。为了显示力量，艾森豪威尔还决定让开赴法国东北前线的美军第28师列队通过巴黎，接受戴高乐和布莱德雷的检阅。
8月29日，胜利后的法国在凯旋门至圣母院的大街上举行了隆重的阅兵式，法军第2装甲师和美军第28师先后列队通过，接受了戴高乐和布莱德雷的检阅。美军第28师当晚就离开巴黎开赴前线，法军第2装甲师则按戴高乐的要求留在巴黎维持治安。
9月3日，戴高乐要求把勒克莱尔的第2装甲师派往法国东面，因为首都已恢复秩序和平静，可是战争还没有结束，法国部队必须积极投身于对德作战。于是，从9月8日开始，这支部队又重新回到巴顿的第3集团军第15军，继续同英美军一起并肩作战。