美军进攻马里亚纳群岛时，决定首先在塞班岛登陆。塞班岛是马里亚纳群岛的主岛，也是日军在中太平洋地区的防御中心。它的中太平洋舰队司令部和第31军司令部都设在这里。驻防塞班岛的日海军兵力为第5水警区所属的第55警备队及横须贺第1海军陆战队等部队，陆军兵力为步兵第43师团、独立混成第47旅团、坦克第9联队、独立山炮第3联队、高炮第25联队以及独立工兵第7联队等部队。自1944年春，日军大本营开始向该岛增派兵员，但因受到美国潜艇的封锁，进展缓慢，且在渡海过程中受到很大损失，直到6月7日才将最后一批部队运到该岛。截至美军发动进攻时，日军部署在塞班岛上的陆军部队共为2．8万余人，配备各种火炮211门、坦克39辆；海军部队共为1．5万余人，配备各种火炮49门、坦克10辆。
受命夺占塞班岛的登陆部队是美军中将史密斯指挥的第5两栖军(辖海军陆战队第2师和第4师等部队)，共7．1万余人。为这支登陆部队担任遣送、护航和直接支援的是北部登陆突击编队(见马里亚纳群岛登陆战役)。这个编队辖有3个运输舰大队、2个登陆舰大队、2个舰炮火力支援大队、2个护航航母支援大队以及警戒、扫雷等部队，共11个大队，计有登陆舰艇约110艘、运输船只30余艘、战列舰7艘、巡洋舰11艘、护航航空母舰7艘、驱逐舰41艘，以及扫雷舰艇、猎潜艇等共246艘各种舰船(包括用于夺占提尼安岛的舰船)。
自1944年春，美海军陆战第2师和第4师在夏威夷开始训练和进行准备，并于5月14至20日在毛伊岛进行了登陆演习。5月29日和30日，北部登陆突击编队载上登陆兵分批从珍珠港出航，6月7日和8日先后驶抵埃尼威托克，补充燃料后继续西进。11至13日，米切尔指挥的快速航母特混编队对塞班岛等地进行了轰炸和炮击。14日，北部登陆突击编队所属的舰炮火力支援大队开始对塞班岛和提尼安岛进行火力准备。与此同时，派出专门部队侦察登陆水域，查明日军没有布雷，且将妨碍接近的珊瑚礁炸掉。15日凌晨，载运登陆兵的运输船和登陆舰等绕过塞班岛北端的马皮角，迂回到该岛西面。美军将登陆地域选择在塞班岛西南部的查兰卡诺地区，其正面宽度近4英里，分为8个滩头，可使两个师同时开始登陆。15日5时，舰炮火力支援大队开始对登陆岸滩进行直接火力准备，护航航母支援大队于6时30分至7时进行了航空火力准备。在此期间，登陆兵进行换乘。两个海军陆战师的8个营分乘数百辆履带登陆车自8时12分开始依次离开出发线，分别向8个滩头冲击。奔驰在第一波履带登陆车前面的是几十艘登陆炮艇，它们以40毫米火炮压制守军的滩头阵地。在履带登陆车的左右两侧和中间还配备一些水陆坦克，用以扫除敌机枪掩体等障碍。担任炮火支援的战列舰、巡洋舰和驱逐舰进至离岸1000余米的水面，抛锚轰击滩头上的抗登陆阵地。在履带登陆车冲过礁脉即将抵岸前，从护航航空母舰起飞的70余架飞机临空，对滩头以及滩头后面的防御地带进行强击。在上述兵力的掩护下，载运第一波登陆兵的履带登陆车于9时前陆续抵岸。但是，履带登陆车刚一到达岸滩就受到日军的拦阻射击，无法开到指定地域，只好在水线附近卸下部队，然后返回海上去接运其他部队。而登陆兵离开履带车，便投入陆上战斗。他们本应于天黑前攻占滩头后面的山丘地带，当夜组织环形防御，第二天扩大登陆场。然而，登陆海滩背面以及两翼阵地和许多永备发射点，都在进行猛烈抗击，使陆上战斗进展极慢。天黑时，登陆部队在岛上向前推进的距离还未达到当天任务线的一半，而且在第2、第4师中间还存在一个未被攻克的走廊。15日上岸的约2万名登陆兵中，已战死数百人，伤亡2000余人。
16日晨，斯普鲁恩斯得知日本舰队来袭，决定推迟在关岛登陆的时间，如有必要则将进攻关岛的部队改为进攻塞班岛的留船待命预备队，而将充当预备队的步兵第27师投入战斗。16日的大部时间，是将两个陆战师的炮兵以及其余部队运送上岸，巩固既得阵地，所以登陆场扩展不大。自这日下午至次日晨，第27师的部队也登上了海滩。16日深夜至17日清晨，日军以一部分步兵和数十辆坦克组织反击，未能奏效。
17日晨，粉碎日军的反击后不久，美军便以舰炮、护航航空母舰飞机予以支援，以坦克和野炮配合步兵发起攻击，迅速扩大了登陆场。17日夜，日军组织两次反击，均未成功。18日，美登陆兵已经进至马伊锡恩湾南海岸，并夺占了日军的主要航空基地——阿斯利特机场。18日深夜，日海军以13艘驳船载运部队从塔那巴戈港(塞班岛中部西海岸)出航南下，企图实施反登陆，行至途中被美军消灭。日军意识到，把已经登陆的美军赶下海去已不现实。其第43师团长斋藤义次中将(第31军司令官小烟英良中将去关岛视察防务而未在塞班岛上)，则于19日后重新组织兵力，企图在塔波乔山地区部署一道防线。
6月20日，美军史密斯中将正式接过了对陆上作战的指挥权，特纳集中精力组织登陆物资的卸载作业，使岛上部队有了充足的后勤保障。击败日机动舰队的美快速航母特混编队，由于海上敌人已不能构成较大的威胁，亦可全力以赴地对岛上作战部队实施舰炮和航空火力支援。于是，史密斯将军以两个海军陆战师为左、右两翼，将步兵第27师部署在战线的中部，开始向北推进。然而，第27师战术拘谨，行动缓慢，使进攻正面呈现“U”字形，两个陆战师的内翼越来越暴露。第27师师长被撤换并改变战法后，情况开始好转。美军于6月26日集中兵力攻占了耸立于该岛中央的塔波乔山，尔后向比较狭窄的北部地区继续猛攻。
7月4日，登陆兵突破日军的最后一道防线，守备部队已大多被歼。7月6日夜晚，约有3000名日军发现他们被驱赶到断崖附近，便于次日3时30分以后发起绝望的反冲击，几乎全部被歼。在此之后，美登陆部队又经过3天多的苦战，才前进到该岛的东北端。至此，虽然仍有少数日军撤入山林或荫蔽于岩洞中继续战斗，但有组织的抵抗已经结束。
美登陆部队在夺占塞班岛的作战过程中，共有3400余人战死，约13100人负伤，伤亡较大。这一方面是由于日军的抗登陆作战采取了消灭敌人于滩头的战术，在靠近海岸的地带构筑了各种防御阵地，守军凭借工事拼死抵抗；另一方面也由于进攻者的预先火力准备不够有力，日军配置在抗登陆地域反斜面上的炮兵阵地、永备火力点、伪装的堑壕及其坚固支撑点等多未被摧毁。因此，美军上岛后前几天的战斗非常艰苦。防守塞班岛的日本陆军部队有26200余人丧生，海军部队有15000人丧生。尽管日军一再强调“玉碎”，可是仍有2000余人举手投降。说明日军的上气已在发生变化。