Operaatio Neptunus (engl. Operation Neptune) oli liittoutuneiden toisessa maailmansodassa Luoteis-Ranskaan suunnatun hyökkäyksen operaatio Overlordin (suom. operaatio Valtaherra) ensimmäinen vaihe, jossa piti turvata maihinnousulla luotu sillanpää Ranskan rannikolla. Operaatio nimettiin roomalaisten vedenjumalan Neptunuksen mukaan.
Maihinnousu alkoi 6. kesäkuuta 1944 ja se jakautui kahteen osaan maahanlaskuihin ja varsinaiseen maihinnousuun. Hyökkäysjoukkojen sivustojen turvaamiseksi Yhdysvallat teki maahanlaskun oikeanpuoleisen sivustan oikealle puolelle lännessä ja Yhdistynyt kuningaskunta sekä Kanada vasemman puoleisen sivustan vasemmalle puolelle idässä. Hyökkäys yllätti rannikolla olleet saksalaiset joukot.
Yli 6 000 alusta olisi mukana invaasiossa amiraali Sir Bertram Ramsayn alaisuudessa – mukaan lukien vajaat 5 000 maihinnousualusta, kuusi taistelulaivaa, neljä panssaritykkivenettä, 23 risteilijää, 104 hävittäjää sekä 152 saattoalusta.[3]