Antes del desembarco, las fuerzas estadounidenses trataron de asegurar la superioridad aérea y naval. Un total de 274 buques, que realizaron 44.978 disparos con cañones de 2 y 5 pulgadas, apoyaron el desembarco. Además, un total de 13 portaaviones participaron en el bombardeo aéreo y un total de 4.283 bombas (con un peso total de 1.310 toneladas) fueron lanzadas del 18 al 20 de julio, el día antes del desembarco. El intenso bombardeo quemó todas las palmeras de la playa y destruyó todos los edificios que se podían ver. La experiencia adquirida por los japoneses en la invasión de Saipán se utilizó para intentar mitigar los efectos del bombardeo. A pesar de ello, el bombardeo superó con creces las expectativas de las fuerzas defensoras que se atrincheraron a lo largo de la costa como en Saipán. Muchas de las bases y torres de vigilancia también fueron destruidas. Sin embargo, las piezas de artillería atrincheradas en densos bosques, cuevas, trincheras y lugares situados a cuatro kilómetros o más de la costa pudieron escapar a la destrucción y se convirtieron en una fuente de fuerte resistencia japonesa. Guam, rodeada de arrecifes, acantilados y un fuerte oleaje, presenta un reto formidable para cualquier atacante:14 Los equipos de demolición submarina reconocieron las playas y eliminaron los obstáculos entre el 14 y el 17 de julio:43 A pesar de los obstáculos, el 21 de julio, las fuerzas estadounidenses desembarcaron a ambos lados de la península de Orote, en el lado occidental de Guam, con la intención de asegurar el puerto de Apra.La 3ª División de Marines desembarcó cerca de Agana, al norte de Orote, a las 8:29, y la 1ª Brigada Provisional de Marines desembarcó cerca de Agat, al sur. La artillería japonesa hundió 30 LVT estadounidenses e infligió grandes bajas a las tropas de desembarco, especialmente a la 1ª Brigada Provisional de Marines, pero a las 09:00 los marines y los tanques estaban en tierra en ambas playas.
Al anochecer, los marines estadounidenses y los soldados de la 77ª División de Infantería habían establecido cabezas de playa a unos 6.600 pies (2.000 m) de profundidad. Los contraataques japoneses se produjeron a lo largo de los primeros días de la batalla, principalmente por la noche, utilizando tácticas de infiltración. Los japoneses penetraron en las defensas americanas en varias ocasiones, pero fueron rechazados con grandes pérdidas de hombres y equipo.
La 77ª División de Infantería del Ejército de los EE.UU. tuvo un desembarco más difícil los días 23 y 24 de julio:17 Al carecer de vehículos anfibios, tuvieron que vadear la orilla desde el borde del arrecife donde las lanchas de desembarco los dejaron. Los hombres apostados en las dos cabezas de playa fueron inmovilizados por el intenso fuego japonés, lo que hizo que el progreso inicial hacia el interior fuera bastante lento. El suministro fue muy difícil para las tropas de desembarco en Guam en los primeros días de la batalla. Los barcos de desembarco no podían acercarse más allá del arrecife, a varios cientos de metros de la playa, y los vehículos anfibios eran escasos.
La 1ª Brigada Provisional bloqueó la península de Orote el 25 de julio, y esa misma noche el teniente general japonés Takashina contraatacó, coordinado con un ataque similar contra la 3ª División al norte.56 Al día siguiente, el general Obata informó de que «nuestras fuerzas no consiguieron los objetivos deseados.»:61 El teniente general Takeshi Takashina fue asesinado el 28 de julio, y el teniente general Hideyoshi Obata asumió el mando de los defensores japoneses.:65 El 28 de julio, las dos cabezas de playa se unieron,:17 y el 29 de julio, los estadounidenses aseguraron la península.:64
Los contraataques japoneses contra las cabezas de playa estadounidenses, así como los feroces combates, habían agotado a los japoneses. A principios de agosto, se estaban quedando sin alimentos y municiones, y sólo les quedaba un puñado de tanques. Obata retiró sus tropas del sur de Guam, planeando hacer una resistencia en la parte montañosa del centro y norte de la isla, «para emprender una acción de retraso en la selva del norte de Guam para mantener la isla el mayor tiempo posible»:65
Después de asegurarse de que ninguna fuerza japonesa significativa operaba en la parte sur de Guam, el general de división de los marines Geiger inició una ofensiva hacia el norte con la 3ª División de Marines en el flanco izquierdo, y la 77ª División de Infantería en el derecho, liberando Agana el mismo día.:70 El aeródromo de Tiyan fue capturado el 1 de agosto:72
La lluvia y la espesa jungla dificultaron las condiciones de los estadounidenses, pero tras un enfrentamiento con la principal línea de defensa japonesa alrededor del monte Barrigada del 2 al 4 de agosto, la línea japonesa se derrumbó.:73-74 La 1ª Brigada Provisional se formó en el flanco izquierdo de la 3ª División de Marines el 7 de agosto debido a la ampliación del frente y a las continuas bajas, en un esfuerzo por evitar que los japoneses se colaran por las brechas americanas. :75-76 Los japoneses tenían otro bastión en el monte Santa Rosa, que fue asegurado el 8 de agosto.:74,81
El 10 de agosto, la resistencia japonesa organizada terminó, y Guam fue declarada segura, pero se estimó que 7.500 soldados japoneses andaban sueltos.:81 Al día siguiente, Obata se suicidó ritualmente en su cuartel general del monte Mataguac después de haber enviado un mensaje de despedida a Japón.:81