Четыре группы быстроходного авианосного оперативного соединения вышли (две - из Пирл-Харбора, две - из южной части Тихого океана), чтобы занять позиции для поддержки и прикрытия десантных сил. В то время как авианосные группы уже находились недалеко от островов Гилберта и других укрепленных пунктов противника, северная и южная десантные группы встретились в море и параллельными курсами направились на Макин и Тарава с расчетом одновременно высадить войска утром 20 ноября 1943 года.
Японская авиация при обороне Рабаула была ослаблена настолько, что американские авианосцы оказались в состоянии прикрыть операцию по захвату островов Гилберта от всех воздушных атак. Во время боев за атолл Макин над ним не появился ни один японский самолет, а две незначительные атаки японских самолетов против Тарава были малоэффективными. Единственный мощный воздушный налет в течение шести дней боевых действий был предпринят 16 японскими торпедоносцами с Маршалловых островов. Вечером 20 ноября эти самолеты нанесли удар по южной авианосной группе адмирала Монтгомери, находившейся в это время в 30 милях на запад от Тарава. 11 японских самолетов было сбито. Одному самолету удалось сбросить торпеду, которая попала в легкий авианосец "Индепенденс". Погреб, котельное отделение, а позднее и машинное отделение корабля были затоплены, "Индепенденс" удалился на Фанафути, а после аварийного ремонта своим ходом дошел до Пирл-Харбора. Вечером 25 ноября, получив подкрепление с островов Трук, японская авиация безрезультатно атаковала у атолла Макин северную ударную группу Тернера и северную авианосную группу контр-адмирала Рэдфорда. Во время другой атаки вечером следующего дня противник пришел в замешательство, когда впервые против него были подняты три патрульных истребителя, оснащенных радиолокаторами. Таким образом, во время атак 25-26 ноября противнику не удалось добиться ни одного попадания в американские корабли.
В операции по захвату островов Гилберта наибольший интерес представляют действия против атолла Тарава, потому что здесь ценой тяжелых потерь американцы научились вести десантные операции, что позволило им высаживать десанты в сильно укрепленных местах во время наступления через Тихий океан.
Основным объектом атаки ударной группы контр-адмирала Хилла был узкий, длиной 2 мили, сильно укрепленный остров Бетио. На нем находилось около 2600 человек хорошо подготовленной японской морской пехоты, 1000 японских и 1200 корейских рабочих. Поскольку какая-то часть строительных подразделений была обучена и вооружена для боя, следует считать, что на острове находилось около 3000 бойцов. Для высадки была назначена усиленная 2-я дивизия морской пехоты, насчитывающая около 16000 человек, из которых большинство являлось ветеранами Гуадалканала. Один усиленный полк выделялся в резерв, который предполагалось использовать на Макине или Тарава, в зависимости от обстановки. Две боевые группы были предназначены для высадки на атолл Тарава. Из них три десантных батальона составляли ударную группу первого броска, а остальные три представляли второй эшелон, находившийся в полковом и дивизионном резерве. Каждый десантный отряд имел около 900 пехотинцев.
Американское командование, изучив данные разведки, решило во избежание недопустимых потерь и поддержания высоких темпов наступления разрушить все оборонительные сооружения раньше, чем начнется высадка войск. Опытные в этом деле офицеры не рассчитывали на эффективность бомбардировки острова самолетами В-24 в течение недели перед высадкой или налетов авиации авианосного оперативного соединения накануне высадки. Все свои надежды они возлагали на артиллерийский огонь трех старых линейных кораблей и пяти крейсеров с близких дистанций непосредственно перед высадкой.
В 04.00 20 ноября корабли южной ударной группы подошли к Бетио. Через полчаса основная масса десантно-высадочных средств уже была спущена на воду и пересаживала первый эшелон десанта на плавающие гусеничные транспортеры, доставленные туда танкодесантными кораблями. Около 05.00 японские береговые батареи на острове Бетио открыли огонь, а корабли Хилла начали обстреливать берег, сметая неприятельские орудия, взрывая склады боеприпасов и поджигая деревянные бараки. С рассветом американские корабли прервали обстрел, чтобы предоставить возможность действовать авиации южной авианосной группы Монтгомери.
В 06.00 начался обстрел берега перед высадкой десанта. В продолжение двух с половиной часов линейные корабли и крейсера Хилла, используя весь предыдущий опыт в оказании огневой поддержки десанту, израсходовали для обстрела острова около 3000 снарядов. С различных дистанций корабли методично обстреливали береговые объекты, чтобы уничтожить неприятельскую оборону и полностью разрушить артиллерийские установки, огневые точки, укрытия и блокгаузы. Затем корабли заняли позиции для обстрела берега продольным огнем и 6 течение сорока пяти минут вели огонь с большой скоростью, чтобы ошеломить противника и загнать его в укрытия. За пять минут до первого броска корабли перенесли огонь в глубину острова, а истребители продолжали обстреливать берег.
Как только начался обстрел берега, два тральщика под прикрытием дымовой завесы протралили фарватер в лагуну. В то время как один из них остался внутри лагуны, чтобы обозначить исходные позиции для атаки, другой вернулся обратно, чтобы провести два эсминца, которые начали обстреливать место высадки. Один из них получил два попадания японских снарядов, которые не взорвались. Вскоре к ним присоединились еще четыре корабля с транспортным доком десантно-высадочных средств, доставившим танки.
Высадочные средства, шедшие из пункта сбора вне лагуны на исходные позиции внутри лагуны, были задержаны сильным ветром, волнением на море, противным течением, а также неисправностями плавающих гусеничных транспортеров. Это заставило адмирала Хилла изменить запланированное время высадки. В 08,25 первые три штурмовые волны десанта на плавающих транспортерах отошли от исходного рубежа и направились к месту высадки. За первыми волнами десанта последовали новые. С каждой из них к берегу доставлялись танки и легкая артиллерия. Каждая волна состояла из трех батальонов десантных войск, для которых были назначены участки берега протяженностью около 500 м.
Как только плавающие транспортеры отошли от исходного рубежа, они сразу же попали под огонь противника. Большинство из них было выведено из строя еще на плаву, а из тех, которые дошли до берега, лишь очень немногие смогли вернуться обратно.
Значительно более крупные потери понесли войска четвертой, пятой и шестой волн десанта, которые шли на обычных десантных судах и застряли на рифах. Часть солдат начала прыгать в воду и утонула под тяжестью своего снаряжения. Некоторые были подобраны возвращавшимися транспортерами. Многие прыгали в воду и добирались до берега вброд под уничтожающим огнем пулеметов и винтовок. Несколько танков, выгруженных с застрявших на рифах десантных судов, добрались до берега, а десантные катера, доставлявшие 37-мм и 75-мм пушки, вынуждены были отойти, и ждать прилива.
Низкий уровень воды задерживал десантные средства, но в то же время благодаря ему появилась песчаная полоса, на которой морская пехота могла собираться под прикрытием бревенчатой стены на берегу. На правофланговом участке высадки морская пехота быстро захватила северо-западную оконечность острова. На левофланговом участке имелся прорыв в стене в 200 м восточнее пирса, далеко выступающего в лагуну. Через этот прорыв прошли два транспортера и 50 морских пехотинцев. За ними последовали другие и, несмотря на сильный фланговый огонь, расширили свои позиции на юг и запад.
Из 5000 американцев, которым удалось достигнуть берега острова Бетио до наступления темноты 20 ноября, около одной трети вышло из строя. К наступлению темноты большая часть солдат морской пехоты, которым удалось высадиться поблизости от укрепленных позиций японцев, была или убита, или прижата огнем к берегу. Однако почти половина западного берега была уже в руках американцев, пробившихся на 150 м в глубь острова. На среднем участке высадки морская пехота заняла плацдарм 300 м длиной и 500 м шириной. Контратака противника, которую ждали ночью, так и не последовала, очевидно потому, что противник не смог установить связь между отдельными подразделениями своих войск. Ночью противник готовил снайперов для стрельбы из укрытий на следующий день; они занимали подходящие для этого позиции на берегу или вброд добирались до подбитых танков и плавающих гусеничных транспортеров на рифах. Все это время уровень воды оставался низким, и десантные суда по-прежнему не могли пройти рифы, но оставшиеся в строю плавающие транспортеры перевозили легкую артиллерию, в то время как часть танков своим ходом добиралась до берега.