В начале августа 1941 года после отхода советских войск за Днестр и их дальнейшего отступления на южном фланге советско-германского фронта сложилась неблагоприятная обстановка, угрожающая охватом войск Южного фронта, в том числе Отдельной Приморской армии, оборонявшейся западнее Одессы.

По приказу Ставки Верховного главнокомандования (председатель И.В. Сталин) 5 августа начался отвод войск Южного фронта на рубеж Чигирин – Вознесенск – Днестровский лиман. Одессу Ставка приказала не сдавать и оборонять до последней возможности.

Оборона города была поручена Приморской армии, которая с боями отходила к Одессе, сдерживая натиск превосходящих сил 4‐й румынской армии. 8 августа в городе было введено осадное положение. Вокруг Одессы было начато создание оборонительных рубежей. К строительству укреплений ежедневно привлекалось до 12 000 человек, в основном женщин и подростков. Передовой рубеж находился в 20–25 км от Одессы, главный – в 10–14 км, рубеж прикрытия города – в 6—10 км. В самом городе создавались дивизия народного ополчения, истребительные батальоны и отряды морской пехоты, а в сооружении баррикад, противотанковых препятствий, огневых точек и опорных пунктов принимало участие до 100 000 жителей города – женщин, стариков и школьников. В черте города силами жителей был построен аэродром.

19 августа распоряжением Ставки Верховного главнокомандования был создан Одесский оборонительный район (OOP), подчиненный военному совету Черноморского флота. Командующим ООР был назначен командир Одесской военно-морской базы контр-адмирал Г.В. Жуков. ООР состоял из трех секторов – Южного, Западного и Восточного. В состав района вошли силы Одесской военно-морской базы и Приморская армия – 25‐я и 95‐я стрелковые дивизии, 1‐я кавалерийская дивизия и незначительные части усиления. Командующий Приморской армией генерал-лейтенант Г.П. Сафонов был назначен заместителем командующего Одесским оборонительным районом. Численность оборонявших город войск составляла около 35 000 человек. Береговая артиллерия располагала 54 орудиями крупных калибров.

Для прикрытия Одессы с моря и артиллерийской поддержки войск был сформирован отряд кораблей из крейсера «Коминтерн», двух эсминцев, четырех канонерских лодок и нескольких вспомогательных судов и торпедных катеров. С воздуха Одессу прикрывали зенитная артиллерия флота и Приморской армии, авиация этой армии (около 20 самолетов) и истребительный авиационный полк ВВС Черноморского флота (40 самолетов).

На Одессу наступала 4‐я румынская армия, включавшая 14 дивизий и две бригады. 8 августа противник вышел к Днестровскому, северной оконечности Хаджибейского и Тилигульскому лиманам. 10 августа румынские части атаковали внешний обвод укреплений Одессы и после трехдневных боев вышли восточнее Тилигульского лимана к побережью Черного моря и полностью блокировали Одессу с суши, отрезав ее от войск Южного фронта. Войска Приморской армии отошли на передовой рубеж обороны. 15 августа противник попытался взять Одессу штурмом, но понес тяжелые потери и отошел на исходные позиции. К 20 августа 4‐я армия была усилена пятью пехотными дивизиями и ее численность была доведена до 17 дивизий, и румынское командование вновь возобновило штурм города. Защитники Одессы стойко отражали наступление противника. К исходу 21 сентября ему удалось в западных и южных секторах подойти к главному рубежу обороны, а в восточном секторе – на ближние подступы и начать артиллерийский обстрел порта и подходного фарватера.

Для усиления обороняющихся корабли Черноморского флота доставили в Одессу из Новороссийска 157‐ю стрелковую дивизию и части усиления, а 22 сентября в восточном секторе был нанесен комбинированный удар из морского десанта в составе 3‐го полка морской пехоты, доставленного на боевых кораблях из Севастополя, воздушного десанта в тылу противника и наступления двух дивизий на участке Фонтанка – Гильдендорф. В результате наступления защитников города две румынские дивизии были разгромлены и противник отброшен на 5–8 км.

30 сентября в связи с угрозой прорыва немецко-фашистских войск в Крым Ставка приказала эвакуировать войска Одесского оборонительного района на Крымский полуостров. В период с 1 по 16 октября корабли и суда Черноморского флота скрытно перевезли в Крым более 100 000 человек войск и гражданского населения, значительное количество вооружения и около 25 000 тонн различных грузов. Эвакуация была четко организована и прошла без потерь.

В ходе 73‐дневных боев за Одессу потери румынских войск составили около 30 000 человек убитыми, 90 000 ранеными и 14 000 пропавшими без вести. Советские войска уничтожили около 200 самолетов и около 100 танков противника.

Стойкая защита города значительно затруднила продвижение правого крыла группы армий «Юг» на восток.