За исключением частей Приморской армии, сформированной из частей Приморской группы войск, которой был дан приказ оборонять Одессу до последней возможности. 5 августа начались бои за город. 8 августа Одесса была объявлена на осадном положении. До 10 августа войска Приморской армии вели бои на дальних подступах к Одессе, а затем отошли на передовой рубеж обороны города.

13 августа румыно-немецкие войска вышли к Черному морю восточнее Одессы и полностью блокировали Одессу с суши, окончательно отрезав ее от войск Южного фронта.

Помощь осажденной Одессе оказали моряки Черноморского флота. Отряд боевых кораблей под командованием командира Одесской военно-морской базы контр-адмирала Г. В. Жукова встали на защиту города с моря. Сухогрузы, находившиеся в Одессе, обеспечивали морские перевозки в интересах фронта. У берегов Одессы погибли экипажи подводных лодок М-33 и М-60 во главе с капитан-лейтенантами Д. И. Суровым и Б. В. Кудрявцевым.

На протяжении всей обороны Верховное Главнокомандование и командование Черноморским флотом помогало городу личным составом, вооружением, боевой техникой, боеприпасами горючесмазочными материалами и продовольствием. В конце августа в ряды защитников города влились шесть отрядов моряков-добровольцев, общей численностью 2400 человек.

14 сентября военный совет ООР был вынужден запросить срочную помощь в связи с нехваткой подкреплений. 15 сентября был получен ответ с приказом продержаться еще несколько дней. По распоряжению Ставки в Одессу была переброшена полнокровная кадровая 157-я стрелковая дивизия из Новороссийска общей численностью 12 600 человек под командованием полковника Д. И. Томилина. 17 сентября в Одесский порт прибыл ее первый эшелон.

Прибывшее пополнение из резерва Ставки и силы обороны Приморской армии укрепили позиции в Южном секторе ООР, что позволило приступить к подготовке контрудара в Восточном секторе с тем, чтобы избавить город и порт с ведущими к нему фарватерами от артиллерийских обстрелов с северо-востока. В результате операции по выброске и высадке воздушного и морского Григорьевского десанта в восточном секторе обороны и освобождения Чабанки, Старой и Новой Дофиновки, с 24 сентября положение на фронте стабилизировалось. Был прекращен обстрел порта и акватории. Штаб Одесского Оборонительного района приступил было к разработке плана подготовки войск к длительной обороне в связи с приближением зимы. Но по стратегическим соображениям 30 сентября из Ставки поступила директива: «Храбро и честно выполнившим свою задачу бойцам и командирам ООР в кратчайший срок эвакуировать войска Одесского Оборонительного района на Крымский полуостров».

Во исполнение директивы 16 октября была завершена посадка и погрузка войск и техники на суда: 35 000 человек с оружием и боевой техникой вышли курсом на Севастополь под прикрытием конвоя кораблей. Скрытно от врага была осуществлена операция по отводу обороняющихся войск в условиях непосредственного соприкосновения с противником.

Подводя итоги обороны Одессы, газета «Правда» писала:

Вся советская страна, весь мир с восхищением следили за мужественной борьбой защитников Одессы. Они ушли из города, не запятнав своей чести, сохранив свою боеспособность, готовые к новым боям с фашистскими ордами. И на каком бы фронте ни сражались защитники Одессы — всюду будут они служить примером доблести, мужества, геройства.