日军深知吉尔伯特群岛的战略重要性，已投入大量时间和精力强化岛上的防卫。在指挥官菅井武雄的指挥下，第7佐世保海军特别登陆部队的2，619人是日本的海上精锐部队。这支部队拥有由大谷少尉领导的14辆95式轻型坦克。为了加强防御，第111前锋部队（类似美国的海蜂突击队）的1，247人随同为数970人的第4舰队建设营被派驻该地；大约1，200名的韩国强迫劳动者被派来支援这2个单位。岛上有一系列共14门海岸防卫炮，包括一些在战前从英国购入的8英寸口径火炮，分别位于岛上周围，放在混凝土掩体内。总共有500座碉堡、由木材做成之“栅栏”和40门火炮散落在岛上。一个机场沿的高点被丛林切断。堑壕连接的各个据点，让部队在必要时可在掩护下调动。海军少将柴崎惠次，负责指挥驻军，他曾夸口说，“他们要用100万人，花100年时间”才能征服塔拉瓦。
贝蒂奥的形状大致像一个细长的三角形，指向与东部和西部的基地。环礁的潟湖在北部和东部，的整个北部海岸是浅水区，而南部和西部是深水区域。攻击将几乎肯定由潟湖展开；南部较深水区域没有合适的登陆区。为了防止这种情况，在深水区与潟湖之间有一道巨大的围墙，后面有一系列机枪和碉堡可以向试图越过墙的人开火。西端有一座长形的码头，让通过珊瑚礁和浅水水域的货轮卸下货物，同时仍允许它们停泊在受保护的浅水潟湖内。
11月20日参与此次作战的美军舰队规模是单一军事行动中最大的，包括17艘航空母舰（6艘航空母舰、5艘轻型航空母舰、6艘护航航空母舰），12艘战舰、8艘重及4艘轻巡洋舰、66艘驱逐舰和36艘运输舰。舰队将运送美国海军陆战队第2师和部分陆军第27步兵师，总共有约35，000名士兵和海军陆战队员。
海军舰队于1943年11月20日开火，炮击持续了超过一个半小时，期间只是短暂停顿让俯冲轰炸机打击锁定目标。在此期间，大多数日军重型火炮均保持静默。该岛大部份区域只有几百米宽，炮轰把大部分地区炸成一片废墟。一直到入侵时美军方面还认为没有人能留下来捍卫这座孤立的小岛。
海军陆战队于当日早上9点在潟湖展开攻击，并停留在离海岸线500码（457米）外的暗礁上。进攻计划包括3个主要海滩，沿北部海岸的红1至红3海滩；红1海滩在岛上最西边的“脚跟”及红3海滩在东边的码头。绿和黑海滩分别是西边基地和南面海岸，但这两处都不适合进行登陆行动。横跨东西的简易机场把该岛分为南北两区。海军陆战队战情计划人员原本预计贝蒂奥的小型潮汐和预估的正常涨潮能提供高于暗礁至少有5英尺（2米）的水深，使更大型的登陆艇有足够空间通过。但是当天及第二天，正如观察所说，“海洋只是坐在那里，”其平均水深只比珊瑚礁高3英尺（0.9米）。（小潮现象：当月球在上弦或下弦的位置，从地球看到的太阳和月球相距90度，太阳的力量抵销了部分的月球力量，使两者的合力效果最小。在月相周期的这种位置上，潮汐的潮差最小，称之为小潮。）
当支援海军陆战队的海军舰艇炮击停止后，日军从防御海军炮击的掩体撤出并迅速移动到所设的机枪阵地。被礁石困着的美军船只很快成为日军火炮和迫击炮的攻击目标。而海军陆战队则在日军机枪扫射下跳下登陆艇并开始登陆。少数的Amtrac水陆两用拖拉车虽遭遇一些困难但还可在珊瑚礁上行驶，但大部份的两栖登陆车在越过珊瑚礁时被炮火封锁，在第一天行动结束时约一半的两栖登陆车退出战场。在第一波攻击下只有少数人登陆，但他们也被海滩上高大的木桩围墙所阻挡。
而稍早几辆原本欲进行突破围墙的坦克在登陆艇上并尝试接近陆地时，被日军炮火击中，这些船只不是沉没就是被困在水中进退两难。虽然最后有2辆坦克最终在东面海滩上登陆，但很快被迫退出战斗。另有3辆坦克在西面登陆，并将防线从海岸边向前推进300码（274米），但其中1辆陷入弹坑中，另1辆被1枚磁性地雷炸毁。剩下的坦克则被当作移动机枪碉堡使用。第3排的4辆坦克在中午左右于红3海滩登陆并加入作战，但到当日作战结束时只剩1辆坦克可以作。
在20日中午时海军陆战队已成功在海滩登陆及攻破日军第一道防线。到下午3点30分个别地区防线已移入内陆地区，但其余的战斗仍沿着第1道防线进行。坦克到达后战斗方向开始向红3并最终转向红2海滩（右侧，向该岛南部行进），入夜后防线大约已移到中部，与机场主跑道只有很短的距离；在之后几小时内，日本守军继续进行骚扰性射击。在一次行动中，一队日本海军陆战队攻击一辆失去动力的两栖登陆车并夺走车上的0.5口径（12.7毫米）M2机枪来攻击后面的陆战队。等到美军夺回车辆时，已有数名美军受伤或死亡。
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